РЕФЕРАТ 3
Введение 3
1 Литературный обзор 5
1.1 Фазовые превращения в никелиде титана 5
1.2 Влияние водорода на мартенситные превращения в TiNi 8
1.3 Диффузия водорода в сплавах на основе никелида титана 10
2 Постановка задачи. Методика исследования 14
2.1 Постановка задачи 14
2.2 Теория функционала электронной плотности 14
2.3 Приближения для обменно-корреляционного функционала 20
2.4 Полнопотенциальный линеаризованный метод присоединенных
плоских волн 22
3 Результаты и обсуждение 29
3.1 Детали расчета 29
3.2 Влияние водорода на атомную структуру TiNi 29
3.3 Потенциальные барьеры диффузии водорода в никелиде титана .. 32
3.4 Влияние водорода на электронную структуру никелида титана.... 35
Заключение 40
Список использованной литературы
Никелид титана (NiTi) - один из наиболее успешно применяемых сплавов, проявляющих эффект памяти формы и сверхэластичность. Эффект памяти формы заключается в восстановлении первоначальной формы деформированного изделия посредством нагрева. Сверхэластичность - восстановление формы после снятия нагрузки, превышающей предел текучести многих других материалов.
Этот сплав активно применяется в различных практических приложениях, таких как производство актуаторов, авиастроение и космическая промышленность. Помимо этого, за счет высокой биосовместимости, никелид титана широко используется в медицине для изготовления различных инвазивных медицинских изделий: имплантов, катетеров и стентов.
Практическое применение сплавов с эффектом памяти формы часто полагается на определенные температуры мартенситных превращений. Температуры начала и конца фазового перехода можно варьировать меняя, например, состав сплава таким образом адаптируя материал под различные задачи. Однако, проникновение различных примесей в изделие также может влиять на температуры фазовых переходов, а значит приводить к непредвиденным последствиям. Медицинские изделия из никелида титана часто подвергаются электролитической очистке, полировке или травлению в различных кислотах во время подготовки изделия к применению. Во время этих обработок, а также в процессе взаимодействия с физиологической средой в организме, возможно проникновение в изделие различных примесей, в частности водорода.
В различных работах показано что повышение содержания водорода в изделиях из никелида титана оказывает заметное влияние на мартенситные превращения, и, соответственно, на проявление эффекта памяти формы и сверхэластичность. Поскольку эти свойства критически важны для успешного использования никелида титана, необходимо выяснить к каким структурным изменениям приводит насыщение изделий из этого сплава водородом.
Целью данной работы являлось первопринципное исследование, в рамках теории функционала электронной плотности, влияния водорода на электронную и атомную структуру никелида титана в В2 - фазе. Получены диффузионные барьеры и равновесное размещение водорода в решетке никелида титана, рассчитаны вызванные водородом изменения в атомной структуре - изменение параметра решетки В2 фазы. Для выявления влияния водорода на электронную структуру получены плотности электронных состояний и дисперсионные кривые B2-TiNi при различных концентрациях водорода.
Полнопотенциальным линеаризованным методом присоединенных плоских волн в рамках теории функционала электронной плотности с обобщенно-градиентным приближением Пердью-Бурка-Эрценхофа для обменно-корреляционного функционала было изучено влияние водорода на атомную и электронную структуру никелида титана. Основные выводы и результаты можно представить следующим образом:
1) Параметр решетки никелида титана значительно зависит от концентрации растворенного водорода при при ее высоких значениях, но при низких значениях изменяется незначительно.
2) Наиболее энергетически выгодным для размещения водорода в решетке TiNi является октаэдрическое междоузлие с 4 атомами титана и 2 атомами никеля в качестве ближайших соседей.
3) Наиболее вероятным механизмом диффузии водорода в NiTi является диффузия через тетраэдрические междоузлия, то есть вдоль траектории OTi междоузлие - тетраэдрическое междоузлие - OTi, т.к. между позициями этого типа лежит наименьший потенциальный барьер, равный 0,12 эВ.
4) Зависимость потенциальной энергии атома водорода от его положения в октаэдрическом титановом междоузлии вблизи равновесного положения практически не зависит от координаты, из за чего колебания водорода в этом междоузлии будут иметь существенно ангармонический характер, который необходимо учитывать при расчете зависимости коэффициентов диффузии водорода от температуры.
5) Профили потенциальных барьеров диффузии для различных концентраций водорода отличаются не более чем на 0.16 эВ. Это говорит о локальном характере взаимодействия водорода с решеткой сплава TiNi, и о слабом взаимодействии атомов водорода между собой.
6) Растворение водорода приводит к отщеплению от дна зоны проводимости зоны, образованной преимущественно s - состояниями. Величина отщепления при размещении Н в OTi превышает 1,2 эВ, при размещении в тетраэдрическом междоузлии - 2 эВ. Электроны этой зоны локализованы главным образом в межатомной области, что говорит о преимущественно металлическом типе связи, осуществляемом электронами этой зоны.
7) При размещении водорода в OTi междоузлии плоские участки дисперсионных кривых E(k) в окрестности точки Г, лежащие в чистом сплаве выше уровня Ферми, опускаются по энергии за счет заполнения зон электронной плотностью водорода. В результате этого возрастает ПС сплава на уровне Ферми, а сам уровень Ферми лежит на крутом склоне ПС, что может говорить о понижении температурной устойчивости сплава.
