1．目的及意义

硼化钛近年来以其硬度大、熔点高、耐磨性良好、导电性高、热力学稳定性高、电阻率低以及功函数低等特性得到了广泛的关注，主要应用于抗冲击装甲、切割工具、耐磨零件、晶粒细化剂、各种高温结构材料和超大规模集成电路中薄膜互联、扩散阻挡层等方面^[1-3]。由于硼化钛在切应力作用下的抗变形能力比在正应力作用下弱^[3]，导致其剪切强度较低，极大地限制了它的应用。因此研究硼化钛在剪切荷载作用下的变形机制至关重要。众所周知，材料的力学性能与其晶体结构和电子结构密切相关。对于硼化钛，其成键类型复杂，例如六方晶系结构TiB₂中不仅包含 Ti² 与 B^-混合键、 B^-与 B^-间的σ键，还存在B^-2pπ电子构成的离域大π键^[4]。因此，本文拟采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，分析硼化钛在剪切载荷作用下的变形行为。第一性原理方法是根据原子核和电子相互作用的原理及其基本运动规律，基于量子力学求解多粒子体系的薛定谔方程的从头算法，具有较高的计算精度，被广泛地用于分析材料的基本性质以及在外载荷作用下的力学行为和变形机制^[1-3,5-16]。

目前硼化钛的相关研究主要集中于对硼化钛的结构、力学、热力学、电子性质进行理论仿真计算，以及其在复合材料、电解槽等方面的工业应用^[1-18]。 Sun L^[1]等人通过分析硼化钛的弹性常数，说明其具有各向异性的弹性性质，它的层内化学键比层间化学键强，并且硼原子通过sp²杂化剪切价电子，形成了由六边形网络组成的分层子晶格 。Tian J^[5]等人系统研究了高温高压对硼化钛晶体结构、力学和热力学性质的影响，结果表明，硼化钛在压力下力学性质稳定，其体积变化阻力、剪切变形阻力和刚度随着压力的增加而提高，因此压力有利于提高材料的塑性。Zhang X^[6]等人研究了部分过渡金属二硼化物的理论强度,结果表明TiB₂在(0001)晶面上具有最低剪切强度，同时基于硼六边形的相对刚度所获得的B-B键的键距可以作为表征二硼化物对基平面滑移或棱柱平面滑移的择优取向性的指标。因此，本文拟采用第一性原理方法研究硼化钛在不同方向剪切荷载下的力学行为和变形机制，为提高其力学性能，扩展其应用范围奠定基础。

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2. 研究的基本内容与方案

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基本内容：利用第一性原理软件Viennaab-initio Simulation Package（VASP）分析硼化钛基本材料性质，其中包括弹性常数和电子态密度等参数，然后研究硼化钛在不同方向的剪切载荷下的力学行为，并分析其微观变形机制。

技术方案和路线：

本文将研究硼化钛的基本材料性质以及其在不同方向剪切载荷下的变形机制 。主要研究步骤为：

1. 利用Material Studio软件，根据空间群、原子空间坐标、晶格常数等参数，建立硼化钛三维立体晶体结构模型；

2. 利用VASP软件，采用投影缀加波赝势，交换关联函数为广义梯度近似的PBE形式，设置一系列能量收敛性参数，结构弛豫的计算采用共轭梯度法，布里渊区k点的产生采用Monkhorst-Pack方法，对硼化钛初始结构模型进行几何弛豫，使得体系处于最低能量状态，得到优化后的模型；

3. 对优化后模型展开计算，获得弹性常数、电子态密度等重要的材料性质参数，进而分析硼化钛在基态下的力学性质和电学性质；

4. 分析硼化钛的晶体结构，了解其在剪切外荷载作用下的滑移系。在此基础上，对硼化钛进行剪切模拟，分析其变形行为以及对应的微观变形机制

3. 参考文献

[1] Sun L, Gao Y, Xiao B,et al. Anisotropic elastic and thermal properties of titanium borides byfirst-principles calculations[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2013,579:457-467.