高壓下Mg2Ni 合金結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和彈性性質(zhì)的第一性原理研究

肖雄 逯來玉 饒梓楚

摘要： 基于密度泛函理論的第一性原理，本文對不同壓強下Mg2Ni 合金的晶格結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進行了計算和分析. 計算結(jié)果表明：在0～60 GPa 范圍內(nèi)，Mg2Ni 的晶格常數(shù)和晶胞體積隨壓強增加而單調(diào)減小. Mg2Ni 的彈性常數(shù)C11、C12、C13、C33 和C44 在0～35 GPa 壓強下滿足穩(wěn)定性判據(jù)，在40～60 GPa 壓強下不滿足穩(wěn)定性判據(jù)，表明機械性能不穩(wěn)定. 高壓會增強Mg2Ni的體模量B、楊氏模量Y、剪切模量G. Mg2Ni 的柯西壓力、G/B 和泊松比，均表明Mg2Ni 在0～5 GPa 壓強下表現(xiàn)出脆性，在7～35 GPa 壓強下表現(xiàn)出延展性.

關(guān)鍵詞： Mg2Ni 合金； 力學(xué)性能； 第一性原理

中圖分類號： O482 文獻標志碼： A DOI： 10. 19907/j. 0490-6756. 2024. 034003

1 引言

在國家“ 雙碳”政策的引領(lǐng)下，氫能作為綠色、高效的能源被廣泛應(yīng)用到新型燃料電池中. 氫能具有綠色、無污染、可再生、燃燒熱值大和釋放能量多等優(yōu)點，是理想的清潔能源，但如何高效安全地存儲氫氣是影響氫能源發(fā)展的關(guān)鍵. 鎂合金具有密度低、強度高、韌性好和資源豐富等優(yōu)點，被廣泛運用于汽車生產(chǎn)和航空航天等領(lǐng)域. Mg2Ni 合金具有密度小、儲氫容量高、資源豐富和價格低廉等特點，在儲氫領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景. Gupta 等［1］使用添加劑球磨的方式，合成了Mg-Mg2Ni-C 復(fù)合材料，實驗發(fā)現(xiàn)加入C 后，材料的儲氫性能增強，在溫度為300 ℃、壓強為0. 35 MPa 條件下，可以吸收6. 2% 的氫. Guo 等［2］研究了氫誘導(dǎo)18r 型長周期堆積有序相分解過程中納米級和微米級Mg2Ni 顆粒的析出機理. 納米級Mg2Ni 顆粒附著在晶粒內(nèi)部的YH2 顆粒上，而微觀級Mg2Ni 顆粒由于Ni 原子的偏析在晶界處形成. 納米Mg2Ni 與YH2 的結(jié)合降低了體系的總能量. Chen 等［3］采用第一性原理計算研究了Mg/Mg2Ni 界面的穩(wěn)定性和氫吸附行為并發(fā)現(xiàn)吸附在界面區(qū)的氫原子傾向于與金屬原子（Ni 和Mg 原子）形成共價鍵，對于大多數(shù)可能的吸附位點，金屬原子的吸附能范圍為?0. 831～?0. 019 eV. 然而，H-金屬鍵的強度取決于H 所處的環(huán)境. Skryabina 等［4］利用快速鍛造塑性變形技術(shù)加工合成了Mg/Ni 細粉混合物，發(fā)現(xiàn)在一定閾值溫度，Mg2Ni 合金的量會隨溫度的升高以遞增的比例直接合成. Guo 等［5］討論了納米晶體LaH3和Mg2Ni 的析出行為，發(fā)現(xiàn)原位形成的Mg-Mg2Ni-LaH3 納米復(fù)合材料，其脫氫性能顯著增強. LaH3 的形成有利于促進加氫過程，Mg2Ni有利于提高脫氫性能. Gao 等［6］通過第一性原理計算方法探討了稀土（Y、Ce、La、Sc）摻雜對Mg2Ni（010）表面熱穩(wěn)定性、電子性能和氫吸附/解吸. 稀土原子削弱了 H與 Mg2N（i 010）襯底之間的結(jié)合強度，從而降低了氫的擴散和解吸能壘，提高了Mg2Ni的儲氫性能. 在四種稀土元素中，Ce 表現(xiàn)出最好的潛力. Cao 等［7］嘗試采用熔融萃取（ME）法制備Mg含量較高且分布均勻的Mg2Ni 催化相的Mg-Ni 合金纖維，形成一種獨特的金屬玻璃纖維. 350 ℃真空預(yù)退火后，原位形成均勻分散的Mg2Ni 納米顆粒，相變?yōu)榻饘俨Ａ? Mg-Ni 纖維在50 ℃ 下可吸收約1. 5 wt% 的氫，在225 ℃下8. 8 min 即可完全釋放.趙強等［8］通過制備Mg-Mg2Ni-TiO2復(fù)合材料實驗發(fā)現(xiàn)，合金的吸放氫溫度明顯下降，儲氫量得到了提高. 王佳寧等［9］研究發(fā)現(xiàn)Mg2Ni 熱力學(xué)穩(wěn)定性較好，體模量彈性各向異性最小，研究中采用了96 個原子的超胞結(jié)構(gòu)研究了10 種存在的點缺陷結(jié)構(gòu)，通過缺陷形成能的計算說明了與空位缺陷相比，反位缺陷更容易形成. Tsushio 等［10］制備并探究摻雜其他元素對Mg2Ni 合金儲氫性能的影響，發(fā)現(xiàn)其他元素摻雜到Mg2Ni 合金可以改變合金的儲氫性能，且Mg2Ni 合金A 和B 兩側(cè)都被取代時，合金的儲氫性能最佳. 目前，系統(tǒng)研究Mg2Ni 合金的高壓下彈性性質(zhì)的文獻很少，因此本文采用第一性原理方法系統(tǒng)研究不同壓力對Mg2Ni 合金的晶體結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能影響. 這對更深入研究相關(guān)的Mg2Ni 儲氫材料有一定意義.