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标题	镁高压性质的第一原理研究
范文	周丽娟 摘要：本文采用第一原理密度泛函PBE方法研究了镁的相变压力及其在不同压力下的弹性性质。结果表明：镁由hcp相转变成bcc相的相变压力为50GPa，而由bcc相转变成fcc相的相变压力为475GPa，随着压力的增大，镁会发生结构相变；且随着压力的增加，hcp相结构的镁的弹性模量总体呈增加的趋势。 Abstract： The phase transitions and electronic structures of Mg metal have been investigated with the first principles. The electronic structure and elastic properties were examined for the Mg metal under different pressures. It was shown that the transition from hcp to bcc is at 50GPa and that from bcc to fcc structure is at 475GPa. The bulk modulus， shear modulus and Young's modulus of hcp-Mg are increased with pressure increasing. 关键词：镁；高压；第一原理 Key words： Mg；high pressure；first-principles calculation 中图分类号：TF822 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）30-0166-040 引言 对于绝大多数固体材料而言，在化学成分一定的前提下，当外界条件（如温度、压力）发生改变时，材料的组织结构就会发生多种形式的转变。铸造合金在极端的条件细化晶粒，改善合金组织，从而可提高合金的性能[1]。固体材料的研究已经拓展到极端条件下（如高温、高压、高载荷）、超硬和超导等领域。晶体材料的空间结构决定其性能，所以研究极端条件下晶体的结构具有重要的理论和实践意义。1 计算方法与模型 1.1 计算方法2 结果与讨论 2.1 镁高压结构相变 镁的高压相结构的预测已有很多文献的报道。前人通过实验和理论的方法，预测了Mg的各个高压相结构以及相变压力。对于hcp到bcc的相变压力，实验和理论给出了一致的结论，但是从bcc到fcc的相变压力，不同的方法计算的相变压力变化很大。Moriarty采用generalized pseudopotential theory （GPT）方法计算了bcc相镁的相变压力为180GPa，而McMaHan采用linear-muffin-tin orbital （LMTO）方法计算的相变压力为790GPa[8]。李[7]等人利用粒子群优化算法（PSO）预测出，在高压下，镁从bcc相转变成fcc相结构，并计算出相变压力为456GPa。为此，我们拟进一步采用第一原理密度泛函方法计算镁的相变压力。 相的稳定性通过比较两种结构的吉布斯自由能来确定。在给定的压力条件下，结构稳定的相对应吉布斯自由能较低的相。相变压力由两种相吉布斯自由能相等的点来确定。在第一原理计算中只考虑了0K的极限情况，因此系统的吉布斯自由能等于焓。 镁的密排六方、体心立方和面心立方三种相結构在压力作用下的吉布斯自由能的比较见图2（a是相对于hcp结构，而b是相对于bcc结构）。图中的交叉点对应的横坐标的值即为相变压力。从图中可以看出，镁hcp到bcc的相变压力约为53GPa，而从bcc到fcc的相变压力约为475GPa，这与粒子群优化算法计算的结果符合的较好。 2.2 弹性性质 为了更直观地比较弹性常数及弹性模量（体模量、剪切模量和杨氏模量）随着外加应力的变化规律，我们将弹性常数、体模量、剪切模量和杨氏模量绘制成图3。由图3a（弹性常数随压力的变化关系）可见，在压力为60GPa出现转折点。当压力小于60GPa时，弹性常数随着压力的增大呈线性增加的趋势；当大于60GPa时，弹性常数C11、C33和C44增加的趋势较大，C12增加的趋势较为缓慢，而C13开始减小。由图3b（弹性模量随压力的变化关系）可见，体模量在0-70GPa范围内呈线性增加的趋势，而剪切模量和杨氏模量在压力小于10GPa时，出现先增大后减小的趋势，变化不是很明显；当压力大于10GPa时，弹性常数C11、C33和C44的变化趋势一致。随着压力的增加，体模量、剪切模量和杨氏模量等物理量均有所增加，表明增大压力有助于镁强度的提高。这些结果有待进一步的理论与实验验证。3 小结 本文利用第一原理密度泛函PBE方法研究了镁的相变压力以及镁在不同压力下的弹性性质，结果如下： ①镁由hcp相结构转变成bcc相结构的相变压力为50GPa，bcc相转变成fcc相的相变压力为475GPa。这与粒子群优化算法计算的结果符合的较好。 ②随着压力的增加，hcp相结构的镁的弹性模量总体呈增加的趋势。 参考文献： [1]王建青，李乃朋，杨红博，景勤.高压处理对AZ91 D镁合金组织及力学性能的影响[J].2012，36（6）：497-501. [2]M D Segall， P J D Lindan， M J Probert， et al. First-principles simulation： ideas， illustrations and the CASTEP code[J]. J Phys Cond Matt， 2002， 14（11）： 2717-2744. [3]J C Stewart， D S Matthew， J P Chris， et al. First principles methods using CASTEP[J]. Computational Crystallography. 2005， 220（5-6）： 567-570. [4]B Hammer， L B Hansen， J K N？覫rskov. Improved adsorption energetics within density -functional theory using revised Perdew-Burke-Ernzerh of functionals[J]. Phys Rev B， 1999， 59（11）： 7413-7421. [5]B G Pfrommer， M C？觝té， S G Louie， et al. Relaxation of Crystals with the Quasi-Newton Method[J]. Journal of Computational Physics， 1997， 131（1）： 233-240. [6]H J Monkhorst， J D Pack. Special points for Brillouin-zone integrations[J]. Phys Rev B， 1976， 13（12）： 5188. [7]P F Li， G Y Gao， Y M Ma. Crystal Structures and Exotic Behavior of Magnesium under Pressure[J]. J. Phys. Chem. C， 2010， 114（49）： 21745-21749. [8]A K Mcmahan， J A Moriarty. Structural phase stability in third-period simple metals[J]. Physical Review B， 1983， 27（6）： 3235. [9]R Hill. The elastic behaviour of a crystalline aggregate[J]. Proc Phys Soc A， 1952， 65（5）： 349-354. [10]M J Mehl， J E Osburn， D A Papaconstantopoulos and Klein B M et al. Structural properties of ordered high-melting-temperature intermetallic alloys from first-principles total-energy calculations[J]. Phys Rev B， 1990， 41（15）： 10311-10323. [11]Z J Wu， E J Zhao， H P Xiang， et al. Crystal structures and elastic properties of superhard IrN2 and IrN3 from first principles[J]. Phys Rev B， 2007， 76（5）： 054115.
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