稀土硼化物LaB6晶体材料的弹性性质和力学性能

张飞鹏 施加利 张静文 包黎红 秦国强 张光磊 杨新宇 张久兴

张飞鹏, 施加利, 张静文, 包黎红, 秦国强, 张光磊, 杨新宇, 张久兴. 稀土硼化物LaB6晶体材料的弹性性质和力学性能[J]. 高压物理学报, 2019, 33(2): 022201. doi: 10.11858/gywlxb.20180668
引用本文: 张飞鹏, 施加利, 张静文, 包黎红, 秦国强, 张光磊, 杨新宇, 张久兴. 稀土硼化物LaB6晶体材料的弹性性质和力学性能[J]. 高压物理学报, 2019, 33(2): 022201. doi: 10.11858/gywlxb.20180668
ZHANG Feipeng, SHI Jiali, ZHANG Jingwen, BAO Lihong, QIN Guoqiang, ZHANG Guanglei, YANG Xinyu, ZHANG Jiuxing. Elastic and Mechanical Properties of Rare Earth Boride LaB6 Crystalline Material[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2019, 33(2): 022201. doi: 10.11858/gywlxb.20180668
Citation: ZHANG Feipeng, SHI Jiali, ZHANG Jingwen, BAO Lihong, QIN Guoqiang, ZHANG Guanglei, YANG Xinyu, ZHANG Jiuxing. Elastic and Mechanical Properties of Rare Earth Boride LaB6 Crystalline Material[J]. Chinese Journal of High Pressure Physics, 2019, 33(2): 022201. doi: 10.11858/gywlxb.20180668

稀土硼化物LaB6晶体材料的弹性性质和力学性能

doi: 10.11858/gywlxb.20180668
基金项目: 国家自然科学基金(51572066, 51302129, 51662034);河南省科技计划项目(132300410071);河南省自然科学基金(162300410007)
详细信息
    作者简介:

    张飞鹏(1980-),男,博士,副教授,主要从事功能材料研究. E-mail: zhfp163@163.com

  • 中图分类号: O521.2; TN34

Elastic and Mechanical Properties of Rare Earth Boride LaB6 Crystalline Material

  • 摘要: 利用密度泛函理论和Birch-Murnaghan物态方程,系统分析了LaB6晶体材料的弹性常数参数、体弹性模量、剪切弹性模量及其他力学性能。结果表明:LaB6晶体具有较大的弹性常数参数C11,说明在此主轴应力方向上具有较大的弹性常数;同时它还具有较大的体弹性模量,并且体弹性模量具有各向同性,剪切弹性模量具有各向异性;LaB6晶体的杨氏模量为227.85 GPa,泊松比为0.26,体剪弹性模量比值达到1.44,表明其脆性较强,不易发生弹性形变;LaB6晶体的硬度达到11.56 GPa,平均弹性波速达4.87 km/s。LaB6的带隙宽度为0.20 eV,呈金属性,内部电子具有较强的局域性,La和B之间具有较强的共价键成分。

     

  • 稀土六硼化物LaB6具有较低的逸出功和低蒸发率等优异的电子发射性能,同时还具有熔点高、化学稳定性强、硬度高等特点,因此自Lafferty发现LaB6的热发射性能以来一直是电子材料及器件领域的研究热点[1-3]。人们对LaB6晶体材料的制备和表征及其多元硼化物开展了较多的研究工作,例如:张宁等[4]通过悬浮区熔法制备了高质量LaB6单晶体;包黎红等[5]制备了La0.6Ce0.4B6材料,硬度达到2.31 GPa,1873 K下的最高发射电流密度达40.7 A/cm2;刘洪亮等[6]通过测试发现,LaB6晶体材料(100)晶面具有最佳的发射性能,最大发射电流密度在1773 K时可达40.4 A/cm2。然而,高致密度的LaB6晶体材料的烧结制备较为困难(致密度较低,80%~92%),所得材料的力学性能较差[7]。当前,关于LaB6晶体材料力学性能的理论研究报道较少,为此本研究基于密度泛函理论,结合Birch-Murnaghan物态方程,系统研究LaB6晶体材料的弹性性质及其他力学性能,以期为LaB6的深入研究和应用提供参考。

    计算中,将芯电子及核视为原子核,用Vanderbilt超软势近似其对外层电子的作用,外层电子设为La(5s25p65d16s2)、B(2s2 2p1),电子波函数采用平面波基矢组[8]。电子交换关联项采用广义梯度近似法(General Gradient Approximation,GGA)中的PBE(Perdew Burke Ernzerhof)泛函近似。首先对晶格结构进行充分弛豫,在此过程中固定晶体的对称性,允许原子在3个方向上弛豫。考虑到La d电子的在位库仑相互作用,计算时将其作用项设置为2.5 eV。计算弹性常数时,每个原子的能量收敛精度设置为2×10–6 eV,最大受力收敛精度设置为0.06 eV/nm;应力-应变计算中,原子最大位移的收敛精度设置为2×10–5 nm;电子结构计算中,电子平面波矢组基矢截止能量设为240 eV,布里渊区k点的自动生成采用Monkhorst-Pack法,k点网格密度为4×4×4。

    根据胡克定律,固体材料在弹性形变范围内所受的应力与应变之间符合

    S=Cε(1)
    (1)

    式中:S为应力,C为弹性常数,ε为应变。广义上晶体材料中的应力和应变都是二阶张量,因此弹性常数c为六阶张量,其中独立分量数为36个,即

    [S1S2S3S4S5S6]=[C11C12C13C14C15C16C21C22C23C24C25C26C31C32C33C34C35C36C41C42C43C44C45C46C51C52C53C54C55C56C61C62C63C64C65C66][ε1ε2ε3ε4ε5ε6](2)
    (2)

    由于晶体具有结构对称性(见图1),因此弹性常数张量矩阵可化为一个具有21个独立分量的矩阵[8],考虑到LaB6为立方晶系,空间群为Pmˉ3m,因此其弹性常数张量矩阵具有3个独立分量,即C11C44C12。采用密度泛函理论和B-M物态方程研究LaB6的弹性常数,基于Voigt方法、Reuss方法和Hill方法[9]对体弹性模量和剪切弹性模量进行计算分析,采用压缩各向因子衡量弹性的各向异性,采用Tian等[10]的维氏硬度方法分析硬度,并采用泊松比和各向异性因子对其延脆性进行分析[10-11]

    图  1  LaB6的立方结构示意图
    Figure  1.  Schematic cubic structure of LaB6

    计算分析得到的LaB6晶体材料的晶格参数列于表1。从表1中可以看出,初始结构经过充分弛豫之后,计算得到的晶格参数与实验值之间的相对误差均小于3%,说明计算分析过程所用参数较为合理。

    表  1  LaB6晶体材料的晶格参数
    Table  1.  Structural parameters of LaB6 crystalline material
    Methoda/nmb/nmc/nmα/(°)β/(°)γ/(°)
    Experiment0.415 49 0.415 49 0.415 49 909090
    Calculation0.420 2050.420 2050.420 205909090
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    通过计算得到LaB6晶体材料的弹性常数参数C11C12C44分别为436.92、22.37和47.64 GPa,C11较大,表明在此主轴应力方向上LaB6晶体具有较大的弹性常数和体弹性模量。根据立方晶体的力学稳定性判定公式[12],经过计算分析得出LaB6晶体的弹性常数参数满足

    C11>0,C44>0,C11>|C12|,C11+2C12>0
    (3)

    表明本研究所用晶格结构为力学稳定的晶体结构。

    分别采用Voigt法、Reuss法和Hill法,根据以下公式,计算LaB6晶体材料的体弹性模量和剪切弹性模量

    BV=(C11+2C12)/3
    (4)
    GV=(C11C12+3C44)/5
    (5)
    BR=(C11+2C12)/3
    (6)
    GR=5(C11C12)C44/[4C44+3(C11C12)]
    (7)
    BH=(BR+BV)/2
    (8)
    GH=(GR+GV)/2
    (9)

    式中:B为体弹性模量,G为剪切弹性模量,下标V、R、H分别表示Voigt法、Reuss法和Hill法。计算结果列于表2,可见LaB6晶体具有较大的体弹性模量。由于LaB6晶体在abc方向上具有各向同性,因此采用Voigt方法和Reuss方法计算所得体弹性模量具有相同的数值。

    表  2  LaB6晶体材料的体弹性模量和剪切弹性模量
    Table  2.  Bulk modulus and shear modulus of LaB6 crystalline material
    BV/GPaBR/GPaBH/GPaGV/GPaGR/GPaGH/GPa
    160.55160.55160.55111.4968.8590.17
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    杨氏模量E可用于衡量固体材料的刚度,其值越大,刚性越强。泊松比γ可用于衡量固体材料抵抗切应变的能力,数值一般在–1~0.5之间,值越大,延性越好,一般认为γ<1/3时材料呈脆性,γ>1/3时呈韧性。体弹性模量与剪切弹性模量的比值λ可用于衡量固体材料的脆性和延展性,其分界值一般是1.75,小于此值时材料明显呈脆性,大于此值时则呈延性。弹性各向异性因子A在0~1之间,A=0表明材料具有各向同性,A=1表明具有最大的各向异性。根据微观原子结合键强度理论计算出的硬度适合分析含有d态电子体系的抗剪性,且其值越高,表明抵抗变形的能力越强[11]

    采用以下公式计算LaB6晶体材料的杨氏模量E、泊松比γ、体剪弹性模量比λλ=B/G)、体弹性模量各向异性因子AB、剪切弹性模量各向异性因子AG和硬度H

    E=9BG/(3B+G)
    (10)
    γ=(3B2G)/(6B+2G)
    (11)
    AB=(BVBR)/(BV+BR)
    (12)
    AG=(GVGR)/(GV+GR)
    (13)
    H=0.92λ1.137G0.708
    (14)
    λ=B/G
    (15)

    表3列出了计算分析结果,可以看出:LaB6晶体材料的杨氏模量为227.85 GPa,远大于一些金属的杨氏模量,与钢材的杨氏模量接近,表明LaB6不易发生弹性形变,刚性较强;其泊松比为0.26,表明LaB6具有一定的脆性;体剪弹性模量上限值的比值λ为1.44,小于1.75,与泊松比计算分析结果吻合;体弹性模量各向异性因子AB=0,剪切弹性模量各向异性因子AG=0.24,表明LaB6的体弹性具有各向同性,而剪切弹性具有一定的各向异性;理论硬度H达到11.56 GPa,表明LaB6抵抗剪切形变的能力较强。

    表  3  LaB6晶体材料的力学性能参数和弹性波速
    Table  3.  Mechanical parameters and elastic velocities of LaB6 crystalline material
    E/GPaγλABAGH/GPavl/(km·s–1)vt/(km·s–1)vm/(km·s–1)
    227.850.261.4400.2411.567.724.384.87
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    采用以下公式[13-14]计算LaB6晶体材料的纵波弹性波速vl、剪切弹性波速vt和平均弹性波速vm

    vl=(B+43G)1ρ,vt=Gρ,vm=[13(2v3t+1v3l)]13
    (16)

    计算结果如表3所示。LaB6晶体材料的3支弹性波中,有1支纵波和2支横波。从表3可以看出,LaB6晶体的纵波弹性波速(7.72 km/s)较大,剪切弹性波速(4.38 km/s)相对较小,平均波速达到4.87 km/s。在LaB6晶体材料的长波极限,声学波的纵波支速度较大,横波支速度相对较小,表明原子相对运动的振动波速较大。

    计算得到的LaB6晶体材料的能带结构和分态密度如图2所示。从图2中可以看出,LaB6具有较窄的带隙,带隙宽度为0.20 eV,费米能级穿过价带,表明LaB6呈金属性。从分态密度图可以看出,曲线具有多个峰值,表明LaB6内部电子具有较强的局域性,这也是稀土La化合物特有的性质。结合能带结构和分态密度可以看出,LaB6材料价带顶的能带由pds电子形成,导带底的能带由pd电子形成,其中p态电子对价带顶和导带底的形成起最重要的作用。计算分析得到的LaB6晶体材料各轨道的电荷转移分布情况如表4所示。可见,La的s轨道和p轨道的电子转移至d轨道和B原子上,B得到La的电子,其s轨道的电子转移至p轨道,因此La呈2.53价而B呈–0.42价,表明La和B之间具有较强的共价键成分。La和B的这种结合也表明LaB6具有较高的体弹性模量、杨氏模量和硬度,同时其离子键成分使其具有一定的脆性。

    图  2  LaB6晶体材料的能带结构和分态密度
    Figure  2.  Band structure and partial density of states for the LaB6 crystalline material
    表  4  LaB6晶体材料的电荷转移
    Table  4.  Charge distributions of LaB6 crystalline material
    AtomCharge distribution/e
    s orbitalp orbitald orbitalTotal charge
    B0.882.540.00–0.42
    La1.505.461.51 2.53
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    基于密度泛函理论和Birch-Murnaghan物态方程,系统分析了LaB6晶体材料的弹性常数参数、体弹性模量、剪切弹性模量和力学性能。结果表明:LaB6晶体材料具有较大的C11,表明在此主轴应力方向上具有较大的弹性常数;LaB6晶体具有较大的体弹性模量,并且体弹性模量呈各向同性,而剪切弹性模量呈各向异性;LaB6晶体的杨氏模量为227.85 GPa,泊松比为0.26,体剪弹性模量比值λ达到1.44,表明其脆性较强,不易发生弹性形变;LaB6晶体的硬度达到11.56 GPa,平均弹性波速达4.87 km/s;LaB6晶体呈金属性,带隙宽度为0.20 eV,内部电子具有较强的局域性,La和B之间具有较强的共价键成分。

  • 图  LaB6的立方结构示意图

    Figure  1.  Schematic cubic structure of LaB6

    图  LaB6晶体材料的能带结构和分态密度

    Figure  2.  Band structure and partial density of states for the LaB6 crystalline material

    表  1  LaB6晶体材料的晶格参数

    Table  1.   Structural parameters of LaB6 crystalline material

    Methoda/nmb/nmc/nmα/(°)β/(°)γ/(°)
    Experiment0.415 49 0.415 49 0.415 49 909090
    Calculation0.420 2050.420 2050.420 205909090
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    表  2  LaB6晶体材料的体弹性模量和剪切弹性模量

    Table  2.   Bulk modulus and shear modulus of LaB6 crystalline material

    BV/GPaBR/GPaBH/GPaGV/GPaGR/GPaGH/GPa
    160.55160.55160.55111.4968.8590.17
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    表  3  LaB6晶体材料的力学性能参数和弹性波速

    Table  3.   Mechanical parameters and elastic velocities of LaB6 crystalline material

    E/GPaγλABAGH/GPavl/(km·s–1)vt/(km·s–1)vm/(km·s–1)
    227.850.261.4400.2411.567.724.384.87
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    表  4  LaB6晶体材料的电荷转移

    Table  4.   Charge distributions of LaB6 crystalline material

    AtomCharge distribution/e
    s orbitalp orbitald orbitalTotal charge
    B0.882.540.00–0.42
    La1.505.461.51 2.53
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  • [1] LAFFERTY J M. Boride cathodes [J]. Journal of Applied Physics, 1951, 22(3): 299–309. doi: 10.1063/1.1699946
    [2] HOSSAIN F M, RILEY D P, MURCH G E. Ab initio calculations of the electronic structure and bonding characteristics of LaB6 [J]. Physical Review B, 2005, 72(23): 235101. doi: 10.1103/PhysRevB.72.235101
    [3] CHEN C H, AIZAWA T, IYI N, et al. Structural refinement and thermal expansion of hexaborides [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2004, 366(1/2): L6–L8.
    [4] 张宁, 张玖兴, 包黎红. 悬浮区域熔炼法制备REB6(LaB6、CeB6)单晶体及其表征 [J]. 功能材料, 2012, 43(2): 178–180 doi: 10.3969/j.issn.1007-4252.2012.02.016

    ZHANG N, ZHANG J X, BAO L H, et al. Floating zone growth and characterization of single crystal REB3 (LaB6, CeB6) cathode [J]. Chinese Journal of Functional Materials, 2012, 43(2): 178–180 doi: 10.3969/j.issn.1007-4252.2012.02.016
    [5] 包黎红, 那仁格日乐, 特古斯, 等. 放电等离子烧结原位合成La xCe1- xB6化合物及性能研究 [J]. 物理学报, 2013, 62: 196105 doi: 10.7498/aps.62.196105

    BAO L H, NARENGERILE, TEGUS O, et al. Synthesis and properties of LaxCe1–xB6 compounds by in-situ spark plasma sintering [J]. Acta Physica Sinica, 2013, 62: 196105 doi: 10.7498/aps.62.196105
    [6] 刘洪亮, 张忻, 王杨, 等. 单晶LaB6阴极材料典型晶面的电子结构和发射性能研究 [J]. 物理学报, 2018, 67: 048101 doi: 10.7498/aps.67.20172187

    LIU H L, ZHANG X, WANG Y, et al. Surface electronic structures and emission property of single crystal LaB6 typical surfaces [J]. Acta Physica Sinica, 2018, 67: 048101 doi: 10.7498/aps.67.20172187
    [7] 高瑞兰, 于化顺, 于普涟, 等. LaB6多晶材料的制备工艺研究 [J]. 山东大学学报(工学版), 2002, 32(6): 593–596 doi: 10.3969/j.issn.1672-3961.2002.06.024

    GAO R L, YU H S, YU P L, et al. Preparation of LaB6 polycrystalline materials [J]. Journal of Shandong University (Engineering Science), 2002, 32(6): 593–596 doi: 10.3969/j.issn.1672-3961.2002.06.024
    [8] NYE J F. Physical properties of crystals: their representation by tensors and matrices [M]. Oxford: Oxford University Press, 1957.
    [9] HILL R. The elastic behaviour of a crystalline aggregate [J]. Proceedings of the Physical Society Section A, 1952, 65(5): 349. doi: 10.1088/0370-1298/65/5/307
    [10] TIAN Y, XU B, ZHAO Z. Microscopic theory of hardness and design of novel superhard crystals [J]. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2012, 33: 93–106. doi: 10.1016/j.ijrmhm.2012.02.021
    [11] BORN M, HUANG K. Dynamical theory of crystal lattices [M]. Oxford: Clarendon Press, 1968.
    [12] HAINES J, LEGER J M, BOCQUILLON G. Synthesis and design of superhard materials [J]. Annual Review of Materials Research, 2001, 31(1): 1–23. doi: 10.1146/annurev.matsci.31.1.1
    [13] PANDA K B, CHANDRAN K S R. Determination of elastic constants of titanium diboride (TiB2) from first principles using FLAPW implementation of the density functional theory [J]. Computational Materials Science, 2006, 35(2): 134–150. doi: 10.1016/j.commatsci.2005.03.012
    [14] ANDERSON O L. A simplified method for calculating the Debye temperature from elastic constants [J]. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 1963, 24(7): 909–917. doi: 10.1016/0022-3697(63)90067-2
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-10-19
  • 修回日期:  2018-11-14

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