四方二氧化锆晶格参数、弹性常数计算

论文总字数：15273字

目 录

1 四方ZrO2简介 1

1.1 ZrO₂的性质与应用 1

1.1.1 ZrO₂的三种晶型 1

1.1.2 四方ZrO₂的应用 2

1.2 ZrO₂的国内外研究现状与发展前景 3

2 计算方法和理论模型 3

2.1 密度泛函理论(DFT) 3

2.1.1 DFT简介 3

2.1.2 局域密度近似(LDA) 3

2.1.3 广义梯度近似(GGA) 4

2.1.4 平面波赝势法(PW-PP) 4

2.2 Hartree-Fock近似(HF) 5

2.3 弹性性质 5

2.3.1 弹性常数的概念 5

2.3.2 四方ZrO₂的弹性性质 6

2.4 模型建立 6

3 计算结果及讨论 7

3.1 几何结构优化 7

3.1.1 不同理论方法计算四方ZrO₂晶格参数值比较 7

3.1.2 电子结构 7

3.2 弹性常数 8

4 结论 9

参考文献 9

致谢 12

四方ZrO₂晶格参数、弹性常数计算

孙启明

，China

Abstract：Zirconium oxide is a kind of inorganic non-metallic materials which has excellent properties. ZrO₂ has different crystalline phase as monoclinic, cubic and tetragonal in atmospheric pressure. Tetragonal ZrO₂ has great properties of high strength and toughness, high hardness and low coefficient of thermal conductivity. In this work we introduced the local density approximation (LDA) the generalized gradient approximation (GGA) the plane wave-pseudo potential method (PW-PP) which based on density functional theory (DFT) and Hartree-Fock approximation (HF), and optimized the geometry of the tetragonal ZrO₂ to calculate the lattice constants and the six elastic constants. The results is in accord with other calculation value and experimental value and it is possible to know that the tetragonal ZrO₂ is an indirect band-gap oxide that has a stable crystal structure, and between the Zr atom and the O atom are covalent bonds. This paper provides the theoretical basis for actual practice of tetragonal ZrO₂.

Key words：tetragonal ZrO₂；lattice constant；elastic constant；density functional theory

1 四方ZrO₂简介

1.1 ZrO₂的性质与应用

1.1.1 ZrO₂的三种晶型

ZrO₂是一种具备优异功能性质的非金属材料，性能优秀，应用广泛，也是多相催化剂的载体。ZrO₂有单斜、四方、立方3种晶型。在常温下，ZrO₂是单斜晶系结构(P2₁/c)，而1170℃ 以上则是四方晶系结构(P4₂/nmc)，2370℃以上时，是立方晶系结构(Fm3m)，2680℃以上则是液相^[1]。在室温下加入稳定剂可以制得单斜ZrO₂与立方ZrO₂，四方ZrO₂则可用低温水热等方法制备。单斜ZrO₂分散性能好，且稳定；立方ZrO₂单晶硬度高，立方ZrO₂陶瓷是一种传导离子特性较好的半导体，应用外围很广；四方ZrO₂有高强度韧性、硬度高、导热系数低等性质^[2-5]。四方ZrO₂优秀的力学性能与化学稳定性使得其应用领域十分广泛，备受重视。

1.1.2 四方ZrO₂的应用

四方ZrO₂化学性质稳定、导热系数低，常被用于制造坩埚、窑炉等，由于其上述性质，在高温时ZrO₂也具有很好的稳定性，很难与其他材料反应。四方ZrO₂力学性能优秀，被广泛使用于制造不同的结构、功能陶瓷等如：氧化锆陶瓷轴承、阀门，此外还有氧刀具、磨介等等。四方ZrO₂具有绝缘、耐腐蚀、耐磨等特点，可用于各种环境如高温环境低温环境等传统会对材质造成影响的环境，其硬度大、无污染、磨损率小等性质也能使其胜任各种领域^[6-8]。四方ZrO₂享有“陶瓷钢”的美誉也是因其优异的性质与广泛的应用。

在人们首次制得部分稳定ZrO₂后，陆续开始了对ZrO₂陶瓷的研究，这也使得ZrO₂有了新的前景。ZrO₂陶瓷是会随着添加不同量的稳定剂后形成不同结构的ZrO₂，他的晶体结构如上文所述是以是多晶结构并有三种晶相。

ZrO₂陶瓷具有上述很多优秀的性质，如力学性能优秀、绝缘、耐腐蚀、耐高温、耐高寒等等，所以在ZrO₂陶瓷研究兴起后，ZrO₂陶瓷被用于制造内燃机部件。它热效高、质量轻，具有传统内燃机所不备的优异性能。ZrO₂陶瓷可以说是内燃机中不可缺少的部分，美国绝热发动机计划使得ZrO₂陶瓷有了大展身手的机会，借助这个机会ZrO₂陶瓷在内燃机应用中大放光彩。ZrO₂陶瓷可用做绝热内燃机中的各种零件。关于热效，ZrO₂陶瓷绝热内燃机可以说远超了传统内燃机。ZrO₂陶瓷绝热内燃机要比传统内燃机的质量轻很多，因为减少了传统内燃机的非常多的ZrO₂陶瓷内燃机所不需要的零件。各个发达国家在制造内燃机零件与航空部件等等方面对ZrO₂陶瓷材料的使用都非常广泛，并且十分重视对ZrO₂陶瓷材料的发展与研究。

ZrO₂陶瓷硬度高、耐磨性好，所以ZrO₂陶瓷在制造磨介的方面也表现突出。我国有关ZrO₂陶瓷的研发、生产、销售主要集中在磨介领域，其中ZrO₂球占了主要部分，相关的许多器件都运用到了ZrO₂陶瓷。

ZrO₂陶瓷还具备耐磁性、不生锈等传统金属所不具备的性质，故在刀具和有生物医学器械的制造中应用也很广。ZrO₂陶瓷可被用于医学手术刀、人造骨骼、人造关节、人造牙齿、剪切磁性物质的刀具等。通过其他方法制得的部分稳定ZrO₂可用于制造耐磁的表件如手表壳、手表内部器件等等，同时也可以被用制造于其它仪表器件。ZrO₂陶瓷用来制作剪刀、水果刀与其他作业用工具等，可在需要避磁性的环境工作，也适宜切生吃食、熟食。日本开发出的ZrO₂陶瓷合金器件，性能相比传统金属十分优异，可以适用于各种传统金属所不适用的环境。在军事上与钢铁生产工业上ZrO₂陶瓷也都有应用，如ZrO₂陶瓷防弹材料等等。

越来越多的关注被投入到了结构陶瓷应用方面。我国目前的ZrO₂结构陶瓷企业并不是从一而终的，而是其他企业转变而来。我国ZrO₂陶瓷的应正处于发展阶段，市场上的应用主要还是磨介、刀具、光纤器件等等。磨介在我国ZrO₂原料生产中占很大一部分，市场每年的总产量大约在300~400吨，而每年用于制造高端器件如光纤接插件等的ZrO₂大约80~100吨。长期以来，我国的ZrO₂陶瓷生产不论制造工艺还是产品品质均不够突出甚至较为落后，多数情况下产品只能试用，不能正常应用，所以ZrO₂原料市场主要还是被发达国家占据，日本的产品占据了大多数较为高端的器件如光纤接插件等，同时还有用于涡轮航空发动机的高性能ZrO₂陶瓷涂层材料等，这种涂层材料不管在力学强度还是耐热性能上都十分出众。

随着信息通信行业的飞速发展，ZrO₂产品除了被用作代替金属等传统材料正在向高端方面发展，ZrO₂陶瓷的优异性能绝不止仅仅能够在某些低级方面代替传统金属材料那么简单，目前市场上已有ZrO₂陶瓷高端产品已经出现了不少，另外在光纤器件中高端ZrO₂陶瓷也是不可缺少的组件。

ZrO₂陶瓷也被用于做氧传感器，同时TiO₂也有被用作氧传感器，但其成本性能等综合方面相比ZrO₂陶瓷较差，所以市场上的氧传感器多数是由ZrO₂陶瓷制成。众所周知，日产车的制造技术相当了得，但是在早期难以打入其他国家的市场，而在美国制定了限排政策之后，日本率先使用ZrO₂制造氧传感器，检测引擎内部的气体，并运用此项技术有效减少了车辆尾气中的有害气体，这也使得日产车一时间名声大噪。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：15273字