一种基于第一性原理的η-碳化物M6C相变合成模型

本发明涉及一种η-碳化物m6c相变合成模型，具体涉及一种基于第一性原理的η-碳化物m6c相变合成模型，属于复合材料界面研究领域。背景技术：1、难熔过渡金属碳化物展现出卓越的性能特征，包括高熔点、高硬度、优异的耐磨性、出色的化学稳定性和良好的导电性，使其在多个技术领域中具备吸引人的应用潜力。然而，碳化物的一个主要缺点是它的脆性，这种问题可以通过采用碳化物和过渡金属组合构成的非均相复合材料来克服，其中金属材料的塑性特点能帮助减少碳化物脆性，从而提升材料整体性能。例如，wc和3d过渡族金属等组成的复合材料表现出卓越性能，如高韧性，因此成为首选的硬质合金切削工具。2、对于复合材料来说，界面及界面效应是影响材料性能发挥的重要因素之一。在wc/m复合材料中(m为过渡金属)，形成在两者之间界面区域的金属间化合物相称为η-碳化物(m12c和m6c)，η-碳化物的形成影响界面结合强度。因此，探究出一条复合材料界面η-碳化物(m12c和m6c)的合成方法对提高复合材料性能有重要作用。3、η-碳化物可以通过特殊方法合成，然而固相反应通常是非常复杂，瞬时生成的中间产物很难通过实验手段被观察到，仅仅通过实验手段很难系统地厘清η-碳化物m6c的合成方法，且实验手段流程复杂且耗时过长，在前瞻性研究过程中投资不大，不利于新材料的开发和涉及，因此，市场和各科研团队亟需一种η-碳化物相变合成路径的模拟方法，为实验制备合成η-碳化物m6c提供理论指导，减少材料开发的前期投入。技术实现思路1、针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于第一性原理的η-碳化物m6c相变合成模型，该模型通过第一性原理计算c原子缺陷能量和扩散能垒，揭示m6c碳化物由c原子扩散路径引起的相变过程，其过程更为系统和全面、且模拟结果的准确性较高，可大幅节约材料开发成本，为η-碳化物m6c合成制备提供理论指导，提高实验的效率，避免盲目性，还解决了现有技术中无法观察到个别中间相的问题。2、为实现上述技术目的，本发明提供了一种基于第一性原理的η-碳化物m6c相变合成模型，其特征在于，包括：3、步骤s1：根据三元相图确定与m6c相关的三元碳化物物相结构，并通过晶体数据库获得其晶体结构文件；4、步骤s2：基于步骤s1获得的的晶体结构文件，对其进行第一性原理结构优化计算，得到各个完美晶体的体系自由能；5、步骤s3：根据步骤s2结构优化后的晶体结构，进行c原子间隙位置分析，获取m、w、c原子的wyckoff位置和点群；6、步骤s4：根据m、w、c原子的wyckoff位置和点群构建不同类型的三元碳化物c原子缺陷晶体模型，并进行第一性原理计算模拟，得到各个缺陷晶体模型的体系自由能；7、步骤s5：利用第一性原理neb方法计算c原子在m6c物相结构中的起始扩散位点及扩散能垒，并结合步骤s4体系自由能结果构建m6c相变合成路径；8、所述m6c相关的三元碳化物物相结构包括m6w6c、m3w3c、m2w2c、m2w4c、m4w2c结构；所述m为磁性金属和/或非磁性金属。9、作为一项优选的方案，所述结构优化计算的过程为：采用基于平面波方法密度泛函的vasp计算软件，输入晶体结构文件和脚本文件，基于广义梯度近似采用pbe交换关联函数描述，选用平面波截止能为520ev、力学收敛标准0.010ev/a°，自洽循环的收敛标准为10-6ev，优化计算的最大步数为100步，倒空间中k点网格密度取为2×2×2。10、作为一项优选的方案，所述晶体结构文件包括poscar、potcar、kpoints和incar文件。11、作为一项优选的方案，所述c原子间隙位置分析的过程为：通过vesta可视化软件分析m6c以及其他三元碳化物优化后的晶体结构文件，并利用bilbao crystallographicserver网页的wyckos功能分析m、w、c原子的wyckoff位置和点群。12、作为一项优选的方案，所述vesta可视化软件分析的过程为：基于软件中bonds功能调出c-w、c-m键，再利用polyhedral调出c原子间隙空间，记录c原子在m6c相关的三元碳化物物相结构中占位的间隙位置；13、作为一项优选的方案，所述c原子缺陷晶体模型的构建过程为：对三元碳化物m6w6c、m3w3c、m2w2c、m2w4c、m4w2c的contcar文件分别加一个c原子和减一个c原子构建缺陷晶体模型。14、作为一项优选的方案，所述c原子构建缺陷晶体模型体系自由能的计算过程为：式1：edefect＝e(cadatom)-eperfect-ebulkc；15、或，式2：edefect＝e(cvacancy)-eperfect+ebulkc；16、式1和2中：e(cadatom)和e(cvacancy)分别代表m6w6c、m3w3c、m2w2c、m2w4c、m4w2c的contcar文件分别加一个c原子和减一个c原子的晶体结构的体系自由能，eperfect代表m6w6c、m3w3c、m2w2c、m2w4c、m4w2c完美晶体的体系自由能，ebulkc代表c原子能量，此时c原子为石墨结构。17、作为一项优选的方案，所述m6c物相结构中的起始扩散位点的构建过程为：根据m6w6c、m3w3c、m2w2c、m2w4c、m4w2c中c原子周围近邻位点，即周围近邻八面体间隙，选择c原子扩散起始位置构建晶体结构。18、作为一项优选的方案，所述m6c物相结构扩散能垒的过程为：c原子开始扩散的晶体结构用isif＝3进行结构优化，扩散结束的晶体结构基于开始扩散的晶体结构移动c原子位置后用isif＝2进行不改变原胞形状和体积的结构优化，再利用第一性原理neb方法计算c原子扩散能垒。19、作为一项优选的方案，所述m6c相变合成路径的构建过程为：根据步骤s4体系自由能由高至低排序，获取c原子的位移趋向，再结合c原子扩散能垒，确定c原子总的扩散方向，并确定m6c相变合成路径。20、相对于现有技术，本发明的有益技术效果为：21、1)本发明所提供的相变合成模型通过第一性原理计算c原子缺陷能量和扩散能垒，揭示m6c碳化物由c原子扩散路径引起的相变过程，其过程更为系统和全面、且模拟结果的准确性较高，可大幅节约材料开发成本，为η-碳化物m6c合成制备提供理论指导，提高实验的效率，避免盲目性，还解决了现有技术中无法观察到个别中间相的问题。22、2)本发明所提供的相变合成模型从相变能量和c原子缺陷的角度出发可以准确、客观的模拟和判断含磁金属和非含磁金属m6c碳化物的相变合成路径，模型适用范围广，操作简单，易于实现，对新型碳化物的研发具有重要的指导作用。技术特征：1.一种基于第一性原理的η-碳化物m6c相变合成模型，其特征在于，包括：2.根据权利要求1所述的一种基于第一性原理的η-碳化物m6c相变合成模型，其特征在于：所述结构优化计算的过程为：采用基于平面波方法密度泛函的vasp计算软件，输入晶体结构文件和脚本文件，基于广义梯度近似采用pbe交换关联函数描述，选用平面波截止能为520ev、力学收敛标准0.010e v/a°，自洽循环的收敛标准为10-6ev，优化计算的最大步数为100步，倒空间中k点网格密度取为2×2×2。3.根据权利要求2所述的一种基于第一性原理的η-碳化物m6c相变合成模型，其特征在于：所述晶体结构文件包括poscar、potcar、kpoints和incar文件。4.根据权利要求1所述的一种基于第一性原理的η-碳化物m6c相变合成模型，其特征在于：所述c原子间隙位置分析的过程为：通过vesta可视化软件分析m6c以及其他三元碳化物优化后的晶体结构文件，并利用bilbao crystallographic server网页的wyckos功能分析m、w、c原子的wyckoff位置和点群。5.根据权利要求4所述的一种基于第一性原理的η-碳化物m6c相变合成模型，其特征在于：所述vesta可视化软件分析的过程为：基于软件中bonds功能调出c-w、c-m键，再利用polyhedral调出c原子间隙空间，记录c原子在m6c相关的三元碳化物物相结构中占位的间隙位置。6.根据权利要求1所述的一种基于第一性原理的η-碳化物m6c相变合成模型，其特征在于：所述c原子缺陷晶体模型的构建过程为：对三元碳化物m6w6c、m3w3c、m2w2c、m2w4c、m4w2c的contcar文件分别加一个c原子和减一个c原子构建缺陷晶体模型。7.根据权利要求1所述的一种基于第一性原理的η-碳化物m6c相变合成模型，其特征在于：所述c原子构建缺陷晶体模型体系自由能的计算过程为：8.根据权利要求1所述的一种基于第一性原理的η-碳化物m6c相变合成模型，其特征在于：所述m6c物相结构中的起始扩散位点的构建过程为：根据m6w6c、m3w3c、m2w2c、m2w4c、m4w2c中c原子周围近邻位点，即周围近邻八面体间隙，选择c原子扩散起始位置构建晶体结构。9.根据权利要求1所述的一种基于第一性原理的η-碳化物m6c相变合成模型，其特征在于：所述m6c物相结构扩散能垒的过程为：c原子开始扩散的晶体结构用isif＝3进行结构优化，扩散结束的晶体结构基于开始扩散的晶体结构移动c原子位置后用isif＝2进行不改变原胞形状和体积的结构优化，再利用第一性原理neb方法计算c原子扩散能垒。10.根据权利要求1所述的一种基于第一性原理的η-碳化物m6c相变合成模型，其特征在于：所述m6c相变合成路径的构建过程为：根据步骤s4体系自由能由高至低排序，获取c原子的位移趋向，再结合c原子扩散能垒，确定c原子总的扩散方向，并确定m6c相变合成路径。技术总结本发明公开了一种基于第一性原理的η‑碳化物M