高压下Mg2Ni 合金结构稳定性和弹性性质的第一性原理研究

肖雄 逯来玉 饶梓楚

摘要： 基于密度泛函理论的第一性原理，本文对不同压强下Mg2Ni 合金的晶格结构和力学性能进行了计算和分析. 计算结果表明：在0～60 GPa 范围内，Mg2Ni 的晶格常数和晶胞体积随压强增加而单调减小. Mg2Ni 的弹性常数C11、C12、C13、C33 和C44 在0～35 GPa 压强下满足稳定性判据，在40～60 GPa 压强下不满足稳定性判据，表明机械性能不稳定. 高压会增强Mg2Ni的体模量B、杨氏模量Y、剪切模量G. Mg2Ni 的柯西压力、G/B 和泊松比，均表明Mg2Ni 在0～5 GPa 压强下表现出脆性，在7～35 GPa 压强下表现出延展性.

关键词： Mg2Ni 合金； 力学性能； 第一性原理

中图分类号： O482 文献标志码： A DOI： 10. 19907/j. 0490-6756. 2024. 034003

1 引言

在国家“ 双碳”政策的引领下，氢能作为绿色、高效的能源被广泛应用到新型燃料电池中. 氢能具有绿色、无污染、可再生、燃烧热值大和释放能量多等优点，是理想的清洁能源，但如何高效安全地存储氢气是影响氢能源发展的关键. 镁合金具有密度低、强度高、韧性好和资源丰富等优点，被广泛运用于汽车生产和航空航天等领域. Mg2Ni 合金具有密度小、储氢容量高、资源丰富和价格低廉等特点，在储氢领域具有广泛的应用前景. Gupta 等［1］使用添加剂球磨的方式，合成了Mg-Mg2Ni-C 复合材料，实验发现加入C 后，材料的储氢性能增强，在温度为300 ℃、压强为0. 35 MPa 条件下，可以吸收6. 2% 的氢. Guo 等［2］研究了氢诱导18r 型长周期堆积有序相分解过程中纳米级和微米级Mg2Ni 颗粒的析出机理. 纳米级Mg2Ni 颗粒附着在晶粒内部的YH2 颗粒上，而微观级Mg2Ni 颗粒由于Ni 原子的偏析在晶界处形成. 纳米Mg2Ni 与YH2 的结合降低了体系的总能量. Chen 等［3］采用第一性原理计算研究了Mg/Mg2Ni 界面的稳定性和氢吸附行为并发现吸附在界面区的氢原子倾向于与金属原子（Ni 和Mg 原子）形成共价键，对于大多数可能的吸附位点，金属原子的吸附能范围为?0. 831～?0. 019 eV. 然而，H-金属键的强度取决于H 所处的环境. Skryabina 等［4］利用快速锻造塑性变形技术加工合成了Mg/Ni 细粉混合物，发现在一定阈值温度，Mg2Ni 合金的量会随温度的升高以递增的比例直接合成. Guo 等［5］讨论了纳米晶体LaH3和Mg2Ni 的析出行为，发现原位形成的Mg-Mg2Ni-LaH3 纳米复合材料，其脱氢性能显著增强. LaH3 的形成有利于促进加氢过程，Mg2Ni有利于提高脱氢性能. Gao 等［6］通过第一性原理计算方法探讨了稀土（Y、Ce、La、Sc）掺杂对Mg2Ni（010）表面热稳定性、电子性能和氢吸附/解吸. 稀土原子削弱了 H与 Mg2N（i 010）衬底之间的结合强度，从而降低了氢的扩散和解吸能垒，提高了Mg2Ni的储氢性能. 在四种稀土元素中，Ce 表现出最好的潜力. Cao 等［7］尝试采用熔融萃取（ME）法制备Mg含量较高且分布均匀的Mg2Ni 催化相的Mg-Ni 合金纤维，形成一种独特的金属玻璃纤维. 350 ℃真空预退火后，原位形成均匀分散的Mg2Ni 纳米颗粒，相变为金属玻璃. Mg-Ni 纤维在50 ℃ 下可吸收约1. 5 wt% 的氢，在225 ℃下8. 8 min 即可完全释放.赵强等［8］通过制备Mg-Mg2Ni-TiO2复合材料实验发现，合金的吸放氢温度明显下降，储氢量得到了提高. 王佳宁等［9］研究发现Mg2Ni 热力学稳定性较好，体模量弹性各向异性最小，研究中采用了96 个原子的超胞结构研究了10 种存在的点缺陷结构，通过缺陷形成能的计算说明了与空位缺陷相比，反位缺陷更容易形成. Tsushio 等［10］制备并探究掺杂其他元素对Mg2Ni 合金储氢性能的影响，发现其他元素掺杂到Mg2Ni 合金可以改变合金的储氢性能，且Mg2Ni 合金A 和B 两侧都被取代时，合金的储氢性能最佳. 目前，系统研究Mg2Ni 合金的高压下弹性性质的文献很少，因此本文采用第一性原理方法系统研究不同压力对Mg2Ni 合金的晶体结构和力学性能影响. 这对更深入研究相关的Mg2Ni 储氢材料有一定意义.