的第一性原理研究" /> 的第一性原理研究" /> 稀土Er掺杂对(Ti<sub>0.25</sub>Ta<sub>0.25</sub>Hf<sub>0.25</sub>Nb<sub>0.25</sub>)<sub>2</sub>Zr<sub>2</sub>O<sub>7</sub>高熵陶瓷结构、力学、电子和位错性质影响<span class="MsoFootnoteReference"> </span>的第一性原理研究
Please wait a minute...
金属学报    DOI: 10.11900/0412.1961.2025.00333
  本期目录 | 过刊浏览 |
稀土Er掺杂对(Ti0.25Ta0.25Hf0.25Nb0.25)2Zr2O7高熵陶瓷结构、力学、电子和位错性质影响 的第一性原理研究

王志鹏1,2  武泽倩3  王 子3  刘 锋3  马 丽4  唐平英4

1 东莞理工学院 材料科学与工程学院  东莞 523808

2 湖南大学 整车先进设计制造技术全国重点实验室  长沙 410082

3 中南大学 粉末冶金全国重点实验室  长沙 410083

4 南宁师范大学 广西功能信息材料与智能信息处理重点实验室  南宁 530001

First-Principles Study on the Effects of Rare-Earth Er Doping on the Structural, Mechanical, Electronic and Dislocation Properties of (Ti0.25Ta0.25Hf0.25Nb0.25)2Zr2O7 High-Entropy Ceramics
WANG Zhipeng1,2, WU Zeqian3, WANG Zi3, LIU Feng3, MA Li4, TANG Pingying4

1 School of Materials Science and Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China

2 State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing Technology for Vehicle, Hunan University, Changsha 410082, China

3 State Key Laboratory for Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China

4 Guangxi Key Laboratory of Functional Information Materials and Intelligent Information Processing, Nanning Normal University, Nanning 530001, China

引用本文:

王志鹏, 武泽倩, 王 子, 刘 锋, 马 丽, 唐平英. 稀土Er掺杂对(Ti0.25Ta0.25Hf0.25Nb0.25)2Zr2O7高熵陶瓷结构、力学、电子和位错性质影响 的第一性原理研究[J]. 金属学报, DOI: 10.11900/0412.1961.2025.00333.

全文: PDF(2192 KB)  
摘要: 
高熵陶瓷展现出广阔的应用前景,但稀土掺杂对其影响尚不清楚。本工作采用密度泛函理论研究了Er掺杂对(Ti0.25Ta0.25Hf0.25Nb0.25-xErx)2Zr2O7 (x = 0~0.25)高熵陶瓷结构、力学、电子及位错性质的影响。采用2 × 2 × 2特殊准随机结构模型模拟无序超晶胞,计算了形成焓、晶格畸变、弹性常数、力学性能和态密度等关键参数,以阐明Er掺杂的影响机制。结果表明,Er取代Nb位可获得最低的形成焓,从而实现最佳的结构稳定性。随着Er含量的增加,晶格畸变加剧,表现为原子尺寸差异和均方根原子位移的增加。(Ti0.25Ta0.25Hf0.25Nb0.1875Er0.0625)2Zr2O7 (x = 6.25%)和(Ti0.25Ta0.25Hf0.25Nb0.0625Er0.1875)2Zr2O7 (x = 18.75%)高熵陶瓷表现出峰值体积模量、Young’s模量、剪切模量、断裂韧性和位错能量因子。Er含量越高,韧性越差,而当Er含量达到18.75%时,各向同性增强,各向异性减弱。Er掺杂可提高Fermi能级的态密度,从而增强金属和电导特性。螺位错的能量因子低于刃位错,有助于螺位错形核。当Er含量达到18.75%时,刃位错宽度达到峰值,从而促进孪生变形并提高塑性。
关键词 高熵陶瓷结构稳定性力学性能电子结构第一性原理计算    
Abstract
High-entropy ceramics (HECs) are promising materials for advanced applications; however, the effects of rare-earth doping on their structural and mechanical properties remain underexplored. Using density functional theory, this study investigates the effects of Er doping on the structural, mechanical, electronic, and dislocation properties of (Ti0.25Ta0.25Hf0.25Nb0.25-xErx)2Zr2O7 (x = 0%–25%) HECs. The disordered ceramic supercell is modeled as a 2 × 2 × 2 special quasirandom structure. The influencing mechanisms of Er doping are elucidated by calculating the critical parameters (formation enthalpy, lattice distortion, elastic constants, mechanical properties, and density of states). Er substitution at the Nb sites minimizes the formation enthalpy, i.e., optimizes the structural stability. Increasing the Er content intensifies the lattice distortion, as evidenced by increased atomic size differences and root-mean-square atomic displacements. The (Ti0.25Ta0.25Hf0.25Nb0.1875Er0.0625)2Zr2O7 (x = 6.25%) and (Ti0.25Ta0.25Hf0.25Nb0.0625Er0.1875)2Zr2O7 (x = 18.75%) HECs exhibit the highest bulk modulus, Young’s modulus, shear modulus, fracture toughness, and dislocation energy factors. The ductility decreases with an increase in Er content. Moreover, the isotropy increases and anisotropy decreases with an increase in Er content up to 18.75%. Er doping elevates the density of states at the Fermi level, enhancing the metallic and electrical conductivity properties of the HECs. The energy factors are lower at screw dislocations than at edge dislocations, aiding the nucleation of screw dislocations. The edge-dislocation width peaks at 18.75% Er, promoting twinning deformation and improving the plasticity.
Key wordshigh-entropy ceramics    structural stability    mechanical properties    electronic structure    first-principles calculation
收稿日期: 2025-10-23     
基金资助:国家自然科学基金项目(No. 12202141); 国家自然科学基金项目(No. 52162009); 广东省基础与应用基础研究基金项目(No. 2024A1515140095); 广东省普通高校特色创新项目(No. 2023KTSCX149); 广东省基础与应用基础研究基金项目(No. 2026A1515011852)
服务
把本文推荐给朋友 的第一性原理研究”的文章,特向您推荐。请打开下面的网址:https://www.ams.org.cn/CN/abstract/abstract37624.shtml" name="neirong"> 的第一性原理研究">
加入引用管理器
E-mail Alert
RSS
作者相关文章
王志鹏
武泽倩
王子
刘锋
马丽
唐平英
[1] 陈光, 陈奉锐, 朱德民, 李贵忠, 李罗, 宋伟东, 王子特, 相恒高, 陈旸, 祁志祥. 聚片孪生功能基元序构的高性能TiAl合金[J]. 金属学报, 2026, 62(4): 541-549.
[2] 王建峰, 许珍木, 刘战, 高转妮, 占小红. 超声振动对TC4钛合金窄间隙激光焊接组织及强化机理的影响[J]. 金属学报, 2026, 62(3): 406-420.
[3] 蒋志达, 胥杨洋, 于佳新, 刘文才, 朱浩文, 吴国华, 尚郑平. 高温无氧轧制Cu/1060Al/Cu三层复合材料的力学和导电性能[J]. 金属学报, 2026, 62(3): 431-444.
[4] 宝尔根, 王建韬, 徐文静, 马会, 陈星秋. 合金元素对 α-FeH原子溶解及扩散影响的第一性原理研究[J]. 金属学报, 2026, 62(3): 489-496.
[5] 江国龙, 周霞. 超声辅助下Mg/Mg-Zn-Al钎焊界面行为的分子动力学模拟[J]. 金属学报, 2026, 62(2): 372-382.
[6] 袁航, 张燕云, 王聪. 第一性原理分子动力学研究MnO对埋弧焊剂导电机制的影响[J]. 金属学报, 2026, 62(1): 191-202.
[7] 王启勇, 李晓博, 刘小超, 王心成, 张泰瑞, 倪中华, 陈彪. 低碳钢预制涡流搅拌摩擦焊工艺研究[J]. 金属学报, 2026, 62(1): 217-234.
[8] 张天宇, 张鹏, 肖娜, 王小海, 刘国强, 杨志刚, 张弛. 奥氏体化温度对2 GPa超高强钢显微组织和力学性能的影响[J]. 金属学报, 2025, 61(9): 1353-1363.
[9] 王洪瑛, 姚志浩, 李大禹, 郭婧, 姚凯俊, 董建新. γ' 相含量粉末及变形高温合金组织和力学性能的异同性[J]. 金属学报, 2025, 61(9): 1364-1374.
[10] 吴志勇, 邵徽凡, 蔡长春, 曾敏, 王振军, 王艳丽, 陈雷, 熊博文. 斜纹碳布缝合织物结构增强铝基复合材料的高温拉伸及断裂行为[J]. 金属学报, 2025, 61(9): 1387-1402.
[11] 肖文龙, 臧晨阳, 郭锦涛, 冯佳文, 马朝利. 基于原位电阻法的7A65铝合金厚板双级时效工艺[J]. 金属学报, 2025, 61(8): 1153-1164.
[12] 刘继浩, 迟宏宵, 武会宾, 马党参, 周健, 谷金波. 喷射成形工艺对M3高速钢碳化物特征及力学性能的影响[J]. 金属学报, 2025, 61(8): 1229-1244.
[13] 葛蓬华, 张勇, 李志明. 异构FeCoNi中熵合金的软磁与力学行为[J]. 金属学报, 2025, 61(7): 1119-1128.
[14] 谢昂, 陈胜虎, 姜海昌, 戎利建. Nb含量和均质化处理对奥氏体不锈钢铸态组织和力学性能的影响[J]. 金属学报, 2025, 61(7): 1035-1048.
[15] 钦兰云, 张健, 伊俊振, 崔岩峰, 杨光, 王超. 固溶时效对激光沉积修复ZM6合金组织及力学性能的影响[J]. 金属学报, 2025, 61(6): 875-886.