基于硼二十面体的高硬度B4C材料结构设计及基本物性研究

摘要

富硼材料常由难以压缩的硼二十面体结构单元构成,因此硬度较高,是研发新型硬质或超硬材料的重要候选体系.利用原子替换方法,从理论上设计一种基于硼二十面体结构单元的新型立方B4 C结构,这一新B4 C结构由B12二十面体通过C原子相连.利用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统研究这一结构的原子成键、热学及动力学稳定性、电子性质、弹性性质及理论硬度等.研究结果表明:在立方B4 C结构中B—B之间多以三中心多电子共价键结合,并形成难以压缩的B12二十面体构型,二十面体之间通过C—B双中心共价键结合;该结构在50 GPa压强下,能量低于实验提出的菱方相B4 C,且动力学声子谱稳定,因此有望从实验获得;该结构理论计算维氏硬度高于20 GPa,且同时兼具金属性,是潜在的导电硬质材料.该研究将为后期实验工作提供理论依据.