淺談鋯合金電子結(jié)構(gòu)與物性關(guān)聯(lián)的第一性原理研究

摘 要：為了進(jìn)一步推動(dòng)科技的進(jìn)步和發(fā)展，建立宏觀特性與微觀電子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，探究鋯基合金電子結(jié)構(gòu)與物性關(guān)聯(lián)的第一性原理成為了當(dāng)前行業(yè)中的重要研究課題。鋯基合金是常用于化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的一種結(jié)構(gòu)性質(zhì)材料，在未來的核工業(yè)發(fā)展和化學(xué)工業(yè)都有著巨大的作用和意義?；诖?，本文將對(duì)鋯合金電子結(jié)構(gòu)與物性關(guān)聯(lián)的第一性原理研究進(jìn)行有效分析，和針對(duì)性的理論探究。旨在更好的為鋯基合金未來的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鋯合金電子結(jié)構(gòu);物性關(guān)聯(lián);第一性原理;結(jié)構(gòu)性質(zhì)關(guān)聯(lián)

1.鋯合金電子結(jié)構(gòu)與物性關(guān)聯(lián)的意義

鋯及鋯合金以其優(yōu)異的性能成為科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的重要的材料，也特別適合在化工設(shè)備以及流程中使用，其作用能夠很好地解決工業(yè)行業(yè)的問題?？衫媒饘僦械慕Y(jié)構(gòu)性質(zhì)，進(jìn)一步研究其中關(guān)聯(lián)性。在目前的一些工業(yè)產(chǎn)品來看，極大多數(shù)都是在使用鋯合金電子結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的工業(yè)級(jí)鋯及鋯合金材料，建立其鋯合金電子結(jié)構(gòu)和特性之間的關(guān)系，對(duì)于開發(fā)新型鋯合金具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義[1]。

2.從贗原子中的特性分析鋯合金電子的結(jié)構(gòu)性

贗原子作為一種特殊的現(xiàn)象，其本質(zhì)上是一種間隙電子，簡(jiǎn)言之則為電子密度局域在原子團(tuán)簇和晶格間隙中的電子，由于外在有著和原子相似的特征，因此被稱為贗原子，而自身所帶的負(fù)電屬性，也成為贗陰離子。常見的具有代表性的贗原子為電子化學(xué)物品或是電子鹽等特殊性離子化合物。在經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的研究后發(fā)現(xiàn)，其不僅可以為環(huán)保工程做出有效的貢獻(xiàn)，其自身優(yōu)異的電子性能結(jié)構(gòu)也有著優(yōu)異表現(xiàn)。隨著鋯合金電子材料的進(jìn)一步開發(fā)，從材料科學(xué)結(jié)構(gòu)角度分析，鋯合金的電子結(jié)構(gòu)密度有著一定的優(yōu)異性。純鋯以及鋯合金中存在著贗元素，但在對(duì)其進(jìn)行拓展研究中發(fā)現(xiàn)，鋯以及鋯合金中的結(jié)構(gòu)特性有一定的局限性，需要通過更加科學(xué)的方式對(duì)其進(jìn)行分析和研究。因此通過計(jì)算材料科學(xué)等領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)科原理，進(jìn)一步對(duì)材料的性能進(jìn)行深入分析。通過第一性原理計(jì)算和從頭計(jì)算的方法入手，在密度泛理論的依托下分析得出，全電子態(tài)的計(jì)算量在收斂速度上十分緩慢，當(dāng)原子結(jié)合成固體時(shí)，人們最關(guān)心的價(jià)電子的結(jié)構(gòu)狀態(tài)則會(huì)發(fā)生較大的改變，在化學(xué)環(huán)境的外在影響下，內(nèi)層電子中例子的總能量也不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的改變[2]。

3.贗原子的存在規(guī)律和結(jié)構(gòu)性性質(zhì)關(guān)聯(lián)

鋯合金憑借自身優(yōu)良的特性，廣泛應(yīng)用于我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的各行各業(yè)中。鋯合金的結(jié)構(gòu)優(yōu)異性離不開基礎(chǔ)電子的基本性能，因此在對(duì)微觀電子結(jié)構(gòu)和宏觀性能研究的基礎(chǔ)上，本文從電子尺度方向?qū)︿喓辖鸬奶匦赃M(jìn)行了進(jìn)一步的分析和把握。在對(duì)過往的文獻(xiàn)分析中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于鋯在其他結(jié)構(gòu)中是否存在贗原子，沒有明確的指出，其內(nèi)在機(jī)理問題也缺乏深度的研究。再進(jìn)一步的計(jì)算和分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)鋯以亞穩(wěn)相的方式存在，其內(nèi)在化學(xué)性能和物理性能都存在著較高的延展性，因此在同材料中有著較大的發(fā)展前景。例如高強(qiáng)度的鋯合金可以應(yīng)用于較為特殊的外太空環(huán)境中，因?yàn)樵谕馓蛰^為惡劣的自然環(huán)境下，航空器材需要較高的耐低溫、耐侵蝕、承受微塵沖刷以及碎片沖擊等特性。而高強(qiáng)度的鋯合金則有望滿足這樣接近嚴(yán)苛的要求。由此可見鋯合金的強(qiáng)韌性特征，有望成為新型的開發(fā)方向。不僅如此，由于鋯合金自身的生物相容性佳，不會(huì)與人體骨骼或是人體組織結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反應(yīng)，因此在未來醫(yī)學(xué)以及生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，也有著較為客觀的發(fā)展性?；诖?，在對(duì)鋯合金基本性質(zhì)進(jìn)行分析和第一性原理研究的過程中，需要對(duì)其進(jìn)行金屬性能的充分了解和掌握，甚至是對(duì)其固溶體也進(jìn)行深度分析和研究，幫助鋯合金在多各發(fā)展領(lǐng)域成為可能[3]。

因此在對(duì)贗原子的存在規(guī)律和結(jié)構(gòu)性性質(zhì)關(guān)聯(lián)的計(jì)算對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，在鋯的三個(gè)不同相中，含有贗原子的相會(huì)隨著鋯四面體畸形程度的不斷增加，結(jié)構(gòu)不斷變形，而六方金屬中的贗原子特性所存在的強(qiáng)弱性與電負(fù)性成反比。由此可見，贗原子的出現(xiàn)，是由存在電負(fù)性的組成元素和晶體結(jié)構(gòu)共同決定和影響的。

4.鋯合金在其他領(lǐng)域的應(yīng)用分析

通過上述對(duì)鋯合金電子結(jié)構(gòu)與物性關(guān)聯(lián)第一性原理的深入分析發(fā)現(xiàn)，除了在化工、航空航天行業(yè)鋯合金有著深入的發(fā)展前景外，其自身特性的多樣性和綜合性，也讓我國經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的其他領(lǐng)域有了更多發(fā)展的可能。其中鋯有著較強(qiáng)的吸氫性，并有著易活化和反應(yīng)迅速的特點(diǎn)，可以作為電子工業(yè)中的吸氣劑和電容器，并在武器中作為音信和爆燃劑等材料。而在冶金工業(yè)中，由于鋯合金的性能特殊，在鋼制作的過程中，增加千分之一的鋯，則會(huì)大大提高其鋼自身的強(qiáng)度和硬度，可以廣泛應(yīng)用于不銹鋼和耐熱鋼的制造中[4]。

鋯和相關(guān)化合物也有著抗氧化、耐高溫以及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，常受到諸多行業(yè)的青睞，例如進(jìn)行將其內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)零件的制造，絕熱內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的制造等。由此可見，鋯合金在其他領(lǐng)域中也有著無限的應(yīng)用可能。

5.結(jié)束語

綜上所述，鋯合金有著十分廣泛的特征和性能，通多對(duì)其內(nèi)在電子結(jié)構(gòu)與贗原子等物性關(guān)聯(lián)第一原子的深入計(jì)算和分析得出，鋯合金可以在多種領(lǐng)域中發(fā)揮其潛在的價(jià)值。由此可見，在未來化學(xué)行業(yè)和物理行業(yè)的分析研究中，鋯合金可以作為重點(diǎn)分析和研究的對(duì)象，在不斷的探索和發(fā)現(xiàn)中，提升其自身電子結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性，為我國不同行業(yè)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 寧進(jìn)良. 鋯合金電子結(jié)構(gòu)與物性關(guān)聯(lián)的第一性原理研究[D]. 2015.

[2] 葛奔，馬景陶，艾德生，et al. Sr_2FeNbO_6晶格常數(shù)及電子結(jié)構(gòu)的第一性原理研究：交換關(guān)聯(lián)泛函及計(jì)算參數(shù)的選擇[C]// 第十八屆全國高技術(shù)陶瓷學(xué)術(shù)年會(huì). 0.

[3] 王保田，鄭晶晶，張世杰. 鈾鋯合金的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵的第一性原理研究[J]. 山西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，37（4）：533-538.

[4] 張利民. 高溫超導(dǎo)體YBaCuO電子結(jié)構(gòu)及物性的第一性原理計(jì)算研究[D]. 西北工業(yè)大學(xué)，2007.

作者簡(jiǎn)介：周堯，男，1984.03.07，河南鞏義，本科，研究方向：鋯及鋯合金材料方面和質(zhì)量無損檢測(cè)方面。