جستجو و بررسی محاسباتی فازهای ساختاری آلیاژ ﺁﻟﻮﻣﻴﻨﻴﻮﻡ-ﻛﺮﺑﻦ

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان

2 دانشکده فیزیک دانشگاه صنعتی اصفهان

3 دانشکده شیمی، دانشگاه پواتیه، فرانسه

چکیده
در این پژوهش، از الگوریتم تکاملی و محاسبات نظریه تابعی چگالی برای شناسایی فازهای ساختاری پایدار و شبه‌پایدار ترکیبات آلومینیوم - کربن استفاده کردیم. ابتدا در فشار صفر، یک جستجوی ساختار با ترکیب متغیر انجام شد و پوش محدب این سامانه شناسایی گردید. سپس برای آلیاژهای روی این پوش محدب و همچنین چند آلیاژ نزدیک این پوش، یک جستجوی ساختار دقیق‌تر در ترکیب ثابت انجام شد و فازهای ساختاری پایدار و شبه‌پایدار این آلیاژها شناسایی شد. از این مجموعه، علاوه بر پایدارترین فاز، هفت فاز شبه‌پایدار انتخاب گردید و ویژگی‌های فونونی، مکانیکی و الکترونی آنها با محاسبات دقیق نظریه تابعی چگالی به‌دست آمد. طیف‌های فونونی نشان می‌دهد تمام هشت ساختار منتخب از نظر دینامیکی پایدار هستند. مقایسه ویژگی‌های مکانیکی این ساختارها، نشان‌دهنده یک فاز ساختاری جدید و بسیار سخت در آلیاژ آلومینیوم - کربن است که می‌تواند به‌صورت لایه نازک و یا در دماهای کاری بالا تولید شده و مورد استفاده قرار بگیرد. ویژگی‌های الکترونی به‌دست آمده نشان می‌دهد که با آلایش سطحی کربن در آلیاژ Al-C می‌توان هدایت فلزی مطلوبی در سطح این ترکیب بسیار سخت و سبک ایجاد کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

Computational search and investigation of structural phases of Aluminum-Carbon alloy

نویسندگان English

Reza Shahsavari 1
Seyed Javad Hashemifar 2
Gilles Frapper 3
1 Department of Mechanical Engineering, Isfahan University of Technology
2 Department of Physics, Isfahan University of Technology
3 Applied Quantum Chemistry Group, E4 team, IC2MP UMR 7285, Université de Poitiers – CNRS, 4, rue Michel Brunet TSA 51106-86073, Poitiers, France
چکیده English

In this study, we employed an evolutionary algorithm and density functional theory (DFT) calculations to identify stable and metastable structural phases of aluminum-carbon compounds. Initially, a variable - composition structure search was conducted at ambient pressure to determine the convex hull of the system. Subsequently, we performed a fixed - composition structure search for alloys located on this convex hull, along with some neighboring alloys to identify their stable and metastable structural phases. Along with the most stable phase, seven metastable phases were chosen from this set, and their phonon, mechanical, and electronic properties were determined using DFT calculations. The phonon dispersion calculations reveal that all eight chosen structures are dynamically stable. A comparison of the mechanical properties of these structures reveals a novel and extremely hard phase in the aluminum-carbon alloy, which can be synthesized in thin-film form or utilized in high-temperature operating conditions. First-principles electronic structure calculations reveal that surface carbon doping in the Al-C system enables tunable metallic conductivity while maintaining an exceptional hardness-to-weight ratio.

کلیدواژه‌ها English

Aluminum-Carbon Alloy
Evolutionary Algorithm
Density Functional Theory (DFT)
Stable and meta stable structures
Mechanical and Electronic Properties
  1. M Besterci, Des. 27 (2006) 416.
  2. G Deffrennes, et al., Calphad 66 (2019) 101648.
  3. A Pisch, et al., Mater. Sci. 171 (2020) 109100.
  4. W Groen, et al., Solid State Chem. 120 (1995) 211.
  5. J Leis, et al., Carbon 39 (2001) 2043.
  6. I Petrusha, et al., Relat. Mater. 13 (2004) 666.
  7. A R Oganov, C W Glass, Chem. Phys. 124 (2006) 244704.
  8. A R Oganov, A O Lyakhov, M Valle, Chem. Res. 44(3) (2011) 227.
  9. G Kresse, J Furthmüller, Rev. B 54 (1996) 11169.
  10. J P Perdew, K Burke, M Ernzerhof, Rev. lett. 77 (1996) 3865.
  11. A Togo, JPSJ. 92 (2023) 012001.
  12. M Born, and K Huang, “Dynamical theory of crystal lattices”, Oxford university press, (1996).
  13. R Cowley, Rev. B 13 (1976) 4877.
  14. F Mouhat, and F X Coudert, Rev. B 90 (2014) 224104.
  15. A Jain, et al., APL Mater. 1 (2013) 011002.

تحت نظارت وف بومی