【摘 要】
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与传统钛合金相比,钛基复合材料具有高强度和良好的高温力学性能等优点,但钛基复合材料还存在界面开裂和界面脱粘等问题,对其力学性能产生不利影响。并且由于实验中界面结构的复杂性,界面微观结构、界面结合和力学性能之间的关系尚不清楚。考虑到SiC和TiB是钛基复合材料中应用最广泛的增强相,本工作利用第一性原理计算系统研究基体掺杂的SiC/Ti体系和增强相掺杂TiB/Ti体系的界面结合、理论强度和弹性性能,结
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与传统钛合金相比,钛基复合材料具有高强度和良好的高温力学性能等优点,但钛基复合材料还存在界面开裂和界面脱粘等问题,对其力学性能产生不利影响。并且由于实验中界面结构的复杂性,界面微观结构、界面结合和力学性能之间的关系尚不清楚。考虑到SiC和TiB是钛基复合材料中应用最广泛的增强相,本工作利用第一性原理计算系统研究基体掺杂的SiC/Ti体系和增强相掺杂TiB/Ti体系的界面结合、理论强度和弹性性能,结合电子结构分析,揭示界面微观结构、界面结合和力学性能之间的关系。研究发现,基体掺杂的SiC/Ti体系中,Mg和Al掺杂提高SiC/Ti体系界面结合,Si掺杂几乎不改变界面结合,Sc、Y、Ni、Cu和Mn掺杂降低界面结合;而只有Y、Al和Si掺杂提高体系弹性模量,其余元素掺杂降低弹性模量,表明体系弹性模量与界面结合无直接关系。电子结构分析表明,体系的弹性模量与电荷分布均匀度有关,随着电荷不均匀度增加,会导致界面处离子键或共价键增多,从而使体系具有更高的弹性模量。另外,Mn掺杂引起大的晶格畸变会降低SiC/Ti体系弹性模量。增强相掺杂的TiB/Ti体系中,V和Mo掺杂提供多余电子,使得界面处聚集电荷增多,从而提高TiB/Ti体系的界面结合;Zn提供空位降低界面处电荷,而Y和Al引起晶格畸变,这使得Zn、Y和Al掺杂降低界面结合。力学性能计算发现V和Mo掺杂会提高界面体系的理论强度,但Zn、Al、V和Mo掺杂降低界面体系的弹性模量,表明理论强度与界面结合正相关,而其弹性模量与界面结合不直接相关。另外,V和Mo掺杂提高TiB的弹性模量,可阻碍裂纹开裂。上述研究结果为高强度钛基复合材料的设计和应用提供理论支持。
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