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摘 要

Abstract II

第一章 引言 3

1.1 镁合金的特点与应用 3

1.2 镁表面合金化与表面吸附研究进展 3

1.2.1 镁表面合金化研究进展 3

1.2.2 镁表面 Cl 吸附的研究进展 5

1.3 研究内容与研究意义 6

第二章 研究方案 7

2.1 研究方法介绍 7

2.1.1 第一性原理计算方法简介 7

2.1.2 密度泛函理论 7

2.2 研究工具 7

2.2.1 VASP 计算软件介绍 7

2.2.2 Material Studio 软件介绍 7

2.2.3 VESTA 软件介绍 8

2.3 研究模型构建 8

2.3研究步骤 10

第三章 结果与讨论 11

3.1 固溶表面结构稳定性 11

3.1.1 原子占位构型测试 11

3.1.2 结合能 12

3.1.3 固溶替代能 12

3.2 固溶对表面电子结构的影响 13

3.2.1 功函数 13

3.2.2 差分电荷密度 14

3.2.3 态密度 16

3.3 固溶对 Cl 吸附的影响 18

3.3.1 稳定吸附构型 19

3.3.2 吸附能 19

3.3.3 差分电荷密度 19

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 23

致谢 26

摘要

作为轻质结构材料的镁合金由于其资源储备丰富，重量轻，比强度高，光泽性好，导热导电能力强，生物兼容性好，而成为轻量化结构材料的研究热点，然而镁基体表面耐蚀性差这一关键问题，一直是制约镁合金广泛使用的关键问题。大量研究发现镁合金在含 Cl 环境中的耐蚀能力更差，腐蚀速率明显增大，极易发生点蚀。学者们通过实验研究在镁合金基体中掺杂有效元素可以提高镁合金在含氯环境中的耐蚀能力，减小损失。铝是工业AZ AM镁合金中主要合金化元素，本文研究在固溶铝的基础上添加不同第三固溶元素来进行复合合金化表面改性，运用第一性原理计算，基于实验测定、构建模型研究了不同合金化方案对镁合金固溶表面结构稳定性、固溶对表面电子结构影响、固溶对 Cl 吸附的影响，确定了最稳定的复合合金化原子占位构型，以及最稳定吸附位构型。并通过电结构分析对比了不同复合合金化方案对表面电子结构及表面Cl吸附的不同影响机制，根据所得的替代固溶能、结合能、吸附能等数据分析不同合金化方案对表面性质的影响。

关键词：Mg（0001）表面； 合金化； 表面吸附； 第一性原理计算

Abstract

Magnesium alloys as lightweight structural materials have become a research hotspot because of their rich resource reserve, light weight, high specific strength, good gloss, strong thermal conductivity and good biocompatibility. however, the critical problem of poor surface corrosion resistance of magnesium substrates has been a key problem restricting the wide use of magnesium alloys. A large number of studies have found that the corrosion resistance of magnesium alloys in Cl environment is worse, where corrosion rate is obviously increased, and pitting corrosion is easy to occur. Through experiments, researchers have revealed that doping effective elements in magnesium alloy matrix can improve the corrosion resistance and reduce the loss of magnesium alloy in chlorine-containing environment, however, their influence mechanisms are not well known.. This paper applies the first principle Based on experiments and models, the stability of solid solution surface structure, the effect of solid solution on surface electronic structure and the adsorption of Cl were studied. and the influence of the obtained alternative solid solution energy, binding energy, adsorption energy on the surface properties of the alloying scheme.

Key Words： Magnesium alloy ; Alloying ; Surface adsorption ; First-principles Calculation.

引言

镁合金的特点与应用

随着全球工业发展趋势的不断推进，工业发展模式的转型成为当下热点，作为轻质结构材料的镁合金具有资源储备丰富，重量轻，密度低，比强度高，光泽性好，导热导电能力强，生物兼容性好，机械加工性能好等优点，在石油化工、电子通信、航天航空等各个方面都有极为广泛的应用。但是镁是所有工业合金中最活泼的化学活泼性最高的金属，其标准电极电位较低(Mg的标准电势电位为−2.37 V），在与其它金属接触时， Mg 极易作为阳极而发生电偶腐蚀[7]。镁合金的电化学性能不稳定，表面形成的氧化膜致密性不好，对基体的保护作用不强。当基体长期暴露在潮湿的环境中极易发生电化学反应产生金属腐蚀，这也正是限制了镁合金的进一步应用的关键问题。因此如何改善镁合金表面的耐腐蚀性能成为了当下研究的热点问题。

镁表面合金化与表面吸附研究进展

镁表面合金化研究进展

在目前已知晓的研究中合金化是改善镁及镁合金耐蚀性的最有效方法之一，主要添加的合金元素有 Al 、Ca 、Zn 和一些稀土元素。

镁-铝合金

铝元素在地壳中含量丰富，化学活泼性强，在潮湿环境中容易形成氧化膜，能够有效得防止金属腐蚀，铝元素独有的性质使得铝在航空、汽车等方面都有着广泛的应用。镁及其合金容易受电偶腐蚀的影响在潮湿的环境中容易发生点蚀，造成不可逆转的损失。通过大量的研究发现，在镁合金中掺杂铝可以有效地提高耐蚀性，其中 Li 等[1]在利用第一性原理计算研究 Al 原子掺杂对 Mg(0001) 表面电子结构对 Mg(0001) 表面 H₂ 解离特性的影响时，发现在 Al 掺杂后， Mg(0001) 表面电子结构发生了很大的变化。 Mg(0001) 表面由于 sp 轨道杂化，Mg(0001) 表面在费米能量周围分布大量的 s 和 p 电子态。而掺杂铝原子后，电子重新排布，费米能量周围电子结构主要分布在掺杂层周围，掺铝表面功函数也增加了0.01~0.02 eV ，特别是当 Al 原子在第一层掺杂时，势垒增大了0.30 eV [1]。这意味着在镁合金中掺杂铝原子后，势垒增大导致表面电子难以逃逸到真空中，从而降低了表面的反应活性，这样能够有效地提高镁合金的耐腐蚀性能。

镁-钙合金

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