《基於多目標粒子群最佳化算法的新型超硬材料的逆向設計》是依託吉林大學，由李全擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於多目標粒子群最佳化算法的新型超硬材料的逆向設計
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：李全
- 依託單位：吉林大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
由於超硬材料在基礎科研和工業生產中具有重要的套用價值，尋找新型成本低、工作效率高的超硬材料是亟待解決的關鍵問題。探索新型超硬材料的實驗工作獲得了可喜的進展，但是合成的困難依然存在。從結構預測角度出發，設計新型超硬材料可以為實驗獲得理想超硬材料提供幫助。此前，新型超硬材料的結構預測和設計都是在按照單一的目標來開展全局搜尋，比如或者尋找熱力學最穩定結構，或者尋找最硬的結構。本項目擬選取典型的過渡族-輕元素型化合物（如Cr、Mn、Fe、Mo、Ru、W、Re和Os等元素的硼化物和氮化物），以具體的複合多功能硬質材料需求為導向，發展有效的兼顧材料硬度、體系自由能、抗壓縮性、抗剪下性、輕元素含量、源材料成本和金屬性等多目標的粒子群最佳化結構預測算法，逆向設計出所需的相關材料。本項目將編寫具有自主智慧財產權的結構預測程式，並集成到CALYPSO軟體包，為設計和合成新型複合多功能超硬材料提供有力工具。
結題摘要
本項目選取了典型的過渡族—輕元素型化合物為研究目標，結合利用基於密度泛函的第一性原理方法，以具體的複合多功能硬質材料需求為導向，研究了極端條件下材料晶體結構和硬度、理想強度等力學行為，獲得若干設計新型高硬度、高強度材料的規律。代表工作如下：(1) 我們利用CALYPSO結構預測方法，結合基於密度泛函的第一性原理計算，系統的搜尋了實驗上已經合成的立方相BC結構，並提出了一個新奇的立方相碳結構（d-BC3），空間群為I-43m。每個單胞里含有64個原子，B原子間形成B-B對，全部分布在立方晶胞的體對角線上。d-BC3的XRD和拉曼譜與實驗數據符合地很完美，表明我們當前提出的d-BC3是實驗合成的立方BC3高壓相的理想候選結構。由於d-BC3特殊的成鍵方式和成鍵相繼破壞機制，d-BC3具有優異的超硬特性和良好的延展性。(2) 我們對硼化鎢化合物的結構—強度關係以及原子尺度的形變力學機制進行了系統地探索。一個廣泛的預期結果是，材料的硬度和強度會隨著硼元素含量的增加而增加。然而，我們的研究工作表明，並不存在這樣的關聯。這些迥異的力學特性，是由不同配比下的獨特的成鍵類型導致了不同的形變模式進而產生的。不同的原子尺度力學機制對此前的過渡族—輕元素型的高硬度材料的設計理念進行了更新，也為強共價鍵的結構形變研究提供了知識儲備。(3) 以硬度為導向，我們採用CALYPSO結構預測方法，系統的對金剛石等電子化合物三元B3NO的結構進行了搜尋。繪製了B3NO結構硬度相對於能量的結構分布圖。關注了熱力學穩定的大量超硬結構。我們發現了兩個主要包含鍵長短、成鍵強的三維網狀共價鍵的新結構：Imm2和Pmn21。計算表明我們尋找到的穩定超硬材料潛在的可被套用於太陽能吸收的窄帶隙半導體材料。項目執行期間，共發表標註項目號的SCI論文26篇 （SCI影響因子大於3.0文章17篇），包括PRL 3 篇，項目負責人李全博士在國內外學術會議做報告21次。
