高熵陶瓷:吸波材料设计新策略北大核心CSCD

微波技术的进步促进了电磁防护技术的发展。吸波材料可以将过剩的电磁辐射以热量形式耗散,因此受到了广泛关注。面对复杂的电磁环境,寻找在1~18 GHz频段内兼具强吸收和宽频吸收性能的吸波材料具有重要意义。目前,吸波材料的设计方法主要包括制备纳米复相材料和掺杂改性。通过将介电损耗型和磁损耗型的材料在纳米尺度复合可以实现两种损耗机制的耦合,但制备工艺复杂、纳米填料分散性难以精确控制、高温热稳定性及抗氧化性差等问题是制约纳米复相材料应用的主要因素。超高温陶瓷具有高温热稳定性及抗氧化性好等优点,但阻抗匹配差使其难以作为吸波材料应用。通过设计和制备含有磁性组元的高熵陶瓷可以使超高温陶瓷材料兼具宽频吸收和强吸收的高效吸波性能。采用高熵设计方法可以同时调节导电性和增强磁损耗能力,为导电性良好的介电型吸波材料提供了调控阻抗匹配的新思路。     

Nb基合金中氧原子扩散及团簇化的第一性原理

利用第一性原理计算,研究了氧原子在Nb中的扩散现象以及施加应变的影响,并对氧原子在Nb-Ti、Nb-Zr合金中的团簇化进行了计算分析。发现在单向应变下,在平行于应变方向上,氧原子的扩散势垒随着应变的增大不断减小,当应变为10%时,扩散激活能从初始的0.92eV降低至0.5eV左右;在垂直于应变方向上,氧原子更容易扩散至被拉长的八面体间隙中,即单向应变下氧原子会在Nb中沿应变方向聚集排列,这会在实际材料中导致应力的集中。计算研究了氧原子在Nb合金中的团簇化问题,发现在纯Nb中,氧原子倾向于均匀分布而不是形成氧原子对;添加合金元素Ti和Zr后,随着氧原子浓度的升高,氧原子对将在合金元素周围形成,Zr周围氧原子对的形成可使体系的能量降低0.29eV。     

W掺杂对TiO2中氧空位形成能的影响

为研究Ti合金中常用的基体强化元素W对合金抗氧化性的作用,利用第一性原理方法计算了W掺杂对Ti合金氧化产物金红石TiO₂中氧空位形成能的影响。计算发现,W可以显著增大其近邻位置的氧空位的形成能,使其增大将近0.7 eV,这将有效抑制氧空位的产生以及环境中氧的渗透,对Ti合金的抗氧化性是有益的。同时研究了2个氧空位组成的不同构型的空位对,发现W同样可以增大氧空位对的形成能,但增加的数值平均到每个氧空位只有0.2 eV,即随着氧化的加剧和氧空位浓度的增加,W对抗氧化性能提高的效果减弱。电子态密度分析表明,对于不同构型的氧空位对,体系内的未配对电子分布在不同的能级水平,这导致了不同的空位形成能。     

Heusler合金M2CoA(M=Mn,Ti;A=Al,Si)的第一性原理

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,研究了M₂CoA型Heusler合金Mn₂CoAl、Mn₂CoSi、Ti₂CoAl和Ti₂CoSi的电子结构和磁学性质。发现Heusler合金Mn₂CoAl是亚铁磁性自旋无带隙半导体,Mn₂CoSi与Ti₂CoAl是亚铁磁性自旋半金属,而Ti₂CoSi是铁磁性自旋半金属。它们的总自旋磁矩均为整数,符合Slater-Pauling规则。然后,在分析电子能带结构和态密度的基础上,探讨了自旋无带隙半导体与半金属性的根源。最后,声子谱和弹性常数计算结果表明所有M₂CoA型Heusler合金在晶格动力学和力学上均是稳定的。     

材料基因工程加速新材料设计与研发

在未知材料化学成分和性能关系的情况下，通过传统的“试错-纠错”方法研发具有特定功能的新材料成本高且经常失败。随着人工智能和数据驱动的第四科学范式的发展，材料基因工程(MGE)已经成为材料设计与研发的新模式。综述了材料基因工程中高通量计算、材料数据库和人工智能方法的研究进展。介绍了材料高通量计算常用的框架和方法; 阐述了材料数据库在材料数据类型和数据标准两方面的发展现状和有待解决的难题; 总结了人工智能方法在材料关键基础问题中的应用。从高通量可视化计算方法、材料多类型数据库和可视化机器学习框架三方面重点证述了自主开发的多尺度集成可视化的高通量自动计算和数据管理智能平台ALKEMIE。展望了材料基因工程未来的发展趋势。