● 摘要
Nb/Nb5Si3复合材料具有熔点高、导热性好、高温强度高等一系列优点，有望成为新型航空高温结构材料，但其较差的室温断裂韧性和高温抗氧化性严重阻碍了它的实际应用。近年来，很多研究采用合金化的方法，改变这种金属间化合物的电子结构、界面结合键的类型及结合强度等，来改善其的力学性质。 本文应用基于密度泛函理论（Density Functional Theory）的第一性原理方法，系统地研究了Nb表面、α-Nb5Si3(001)表面、Nb(001)/α-Nb5Si3(001)界面的性质以及合金元素Hf原子对Nb(001)/α-Nb5Si3(001)界面系统的影响。 (1) Nb(001)表面的表面能为2.25J/m2，最表面两层的间距缩小了12%，与实验结果一致。通过互补表面方法得到体材料Nb5Si3沿(001)平面Nb/Si和Nb/NbSi的分离能分别为5.103J/m2和5.787J/m2。 (2) 建立了Nb(001)/α-Nb5Si3(001)四个不同的界面模型，得到了一些重要的结果：对于界面处以纯Si层以及NbSi混合层为终端的界面模型，原本属于金属Nb相的一层Nb原子层经过优化后整层整体转动13.9，且其与上层原子层的层间距也变得与体材料Nb5Si3中相应层的层间距非常相近，这层Nb原子层几乎变成了Nb5Si3的一部分，并且这层Nb原子层在态密度低能级水平内呈现出了在体材料Nb5Si3中存在而体心立方结构体材料Nb中不存在的电子态。根据四个界面模型界面处的原子结构特征，将这四个界面模型分为两类。 (3) 对Nb(001)/α-Nb5Si3(001)界面模型界面处的结合功进行了计算，与体材料Nb和Nb5Si3的分离能进行比较，界面区域上的结合力最弱；且界面Nb/Si结合处结合功最小，即Nb/Si处结合功在整个界面结构中是最弱的，亦是当有外力作用于界面材料时Nb/Si是最有可能首先产生微裂纹的地方。另外，本文也对Nb(001)/α-Nb5Si3(001) 界面模型的态密度、电荷集居数及交迭集居数做了分析。 (4) 合金元素Hf原子在Nb5Si3体材料中最易替代较松散的Nb层原子。Hf原子在界面体系中，易在较松散的Nb层偏聚。Hf原子对Nb(001)/α-Nb5Si3(001)界面的结合功和层间距都产生了影响。