新型超硬材料AlMgB14高溫高壓物態方程和力學性質的第一性原理計算

周 夢，景素華，王彬彬

(1.武警警官學院基礎部，成都 610213；2.西華師范大學物理與空間科學學院，南充 637002)

1 引 言

近年來，新型三元超硬復合材料得到了廣泛關注，AlMgB14是其中一種具有代表性的三元富硼化物，由Matkovich和Economy于1970年首次發現[1].AlMgB14不僅硬度高，而且具有密度低、熱穩定性好、導電性能好且制作成本低等優良特性，使其成為超硬材料領域的研究熱點[2].

AlMgB14晶體屬于基于四個B12二十面體的體心正交晶格[2-4]，其單胞包含原子數多，一共包含64個原子，也具有超硬材料對稱性低的特點，每個晶胞分別基于(0，0，0)、(0，0.5，0.5)、(0.5，0，0)、(0.5，0.5，0.5)的4個B12二十面體單元，余下8個B原子位于二十面體單元外，連接B12二十面體.Al、Mg原子在晶胞中位置分別為(1.250，0.750，0.250)、(0.250，0.359，0).實驗表明，其晶體結構中Al原子、Mg原子是不完整占據，占據率分別為78%和75%.因此，該材料準確化學式應為Al0.75Mg0.78B14[5].Al和Mg金屬原子在這種結構中可以起填充空位作用，并保證B12二十面體結構可以相互連接和保持穩定，最重要的是賦予AlMgB14材料優異性能[6].(AlMgB14晶胞結構如圖1所示).

圖1 AlMgB14晶胞結構圖(其中白色球代表Al原子，黑色球代表Mg原子，灰色球代表B原子.)Fig.1 Crystal structure of AlMgB14.(bright，dark，and gray spheres present Al，Mg，B atoms，respectively.)

實驗上[7-9]，AlMgB14塊體材料的制備大多采用高溫燒結單質粉末方法合成，不過此方法存在弊端，如含有雜質MgAl2O4.利用燒結方法制備塊狀AlMgB14，平均硬度為24.9 GPa-31.9 GPa，最高硬度可達40.2 GPa[9].除高溫燒結法，脈沖電子束燒結法也可用來制備AlMgB14[10].薄膜形式的AlMgB14可用脈沖激光沉積技術[8]和磁控濺射技術制備[12].實驗結果表明，采用脈沖激光沉積技術獲得的AlMgB14薄膜，無論物質結構為晶態還是非晶態，都具有優……