КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОЧАСТИЦ КАРБИДА
ВОЛЬФРАМА
QUANTUM
MECHANICAL STUDY OF TUNGSTEN CARBIDE NANOPARTICLES
Заводинский Виктор Григорьевич—доктор физико‑математических наук, профессор, директор Института материаловедения
Хабаровского научного центра ДВО РАН ул. Тихоокеанская 153, (г. Хабаровск). E‑mail:
vzavod@mail.ru
Victor G. Zavodinsky—Doctor in Physics and
Mathematics, Professor, Director of the Material Technology Institute at the
Khabarovsk Research Centre of the Far‑Eastern Branch of Russian Academy
of Sciences, 153 Tikhookeanskaya str., Khabarovsk,
Russia vzavod@mail.ru.
Аннотация: Методами теории функционала электрон‑ной
плотности и псевдопотенциала изучены структура,
энергия и механические свойства наночастиц WC.
Обнаружено, что малые частицы (содержащие менее 15 атомных пар WC) обладают кубоподобной структурой типа NaCl.
В области 10‑20 пар WC частицы скубической итригональной структурой имеют примерно равные энергии,
однако их внутренняя атомная структура сохраняет свойственный для NaCl характер чередования атомов W иC.Тригональная
частица The W15C15была использована для изучения
твердости и прочности на разрыв. Оказалось, прочность наночастицы
намного превышает прочность массивного материала. Вакансии W и C снижают
прочность частиц, однако атомы кобальта, внедряясь в вакансионные
позиции, могут восстанавливать прочность и твердость наночастиц
почти до величин, характерных для бездефектного случая. Плотность электронных
состояний наночастиц WC имеет вид, близкий к
плотности состояний массивной кубической фазы карбида вольфрама, с высокой
плотностью вблизи уровня Ферми.
Summary: By the methods of the electron charge/pseudo charge functional theory the
structure, energy and mechanics of WC nanoparticles were
studied. It was revealed that smaller particles
(containing less that 15 atomic pairs of WC) have a
cube‑like structure of the NaCl type. In the
range of between 10 to 20 pairs of WC, particles with cubic or trigonal
structure have more or less equal energy, although
their inner atomic structure retains its NaCl‑like
pattern of W and C sequence. A trigonal particle The W15C15 was
used for studying hardness and breaking strength. It turned out that strenght of a nanoparticles was
much in excess of that of bulk material. W and C vacancies reduce particle strenght, on the other hand cobalt atoms when taking these
vacant positions may recover strength and hardness of nanoparticles up to the
values characteristic of defect‑free example. Density of electron states
for WC nanoparticles looks similar to the density of the cubic phase in bulk of
tungsten carbide, with a high density closer to the Fermi level.
Ключевые слова: карбид вольфрама, кобальт, нано‑частицы, псевдопотенциал, твердость, прочность
Keywords: tungsten carbide, cobalt, nanoparticles, pseudo charge, strength, hardness
«Ученые записки КнАГТУ». № I
- 1(1) 2010 «Науки о природе и технике», с. 86 - 91
«Scholarly Notes of Komsomolsk-na-Amure State Technical University». Issue I - 1(1) 2010
"Engineering and Natural Sciences"
DOI 10.17084/2010.I-1(1).20
References
1. Schubert WD, Bock A, Lux B. General aspects and limits of conventional ultrafine WC powder
manufacture and hard metal production. Int. Journal of Refractory Metals &
Hard Materials 1995; 13; 281-6.
http://dx.doi.org/10.1016/0263-4368(95)92674-9
2. Jia K, Fischer TE, Gallois B. Microstructure, hardness and toughness of
nanostructure and conventional WC-Co composites. Nanostruct.
Mater. 1998; 10; 875-91.
http://dx.doi.org/10.1016/S0965-9773(98)00123-8
3. Kim BK, Ha
GH, Lee DW, Lee GG, Ahn IS. Chemical processing of
nanostructured cemented carbide. Advanced Performance Materials 1998; 5;
341-52.
http://dx.doi.org/10.1023/A:1008665301338
4. Ferreira
JAM; Pina Amaral MA, Antunes
FV, Costa JDM. A study on the mechanical behavior of WC/Co hard metals. Int.
Journal of Refractory Metals & Hard Materials 2009; 27; 1–8.
http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2008.01.013
5. Christensen
M, Wahnstrőm G, Alibert
C, Lay S. Quantitative analysis of WC grain shape in sintered WC-Co cemented
carbides. Phys. Rev. Lett. 2005; 94; 066105(4).
6. Delanoe A, Lay S. Evolution of the WC grain shape in WC–Co
alloys during sintering: Effect of C content. Int. Journal of Refractory Metals
& Hard Materials 2009; 27; 140–8.
http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2008.06.001
7. Yamamoto T, Ikuhara Y, Watanabe T, Sakuma T, Taniuchi
Y, Okada K, Tanase T. High resolution electron
microscopy study in Cr3C2-doped WC-Co. Journ. of Materials Science 2001; 36; 3885-90.
http://dx.doi.org/10.1023/A:1017953701641
8. Beckstedte M, Kley A, Neugebauer J, Scheffler M.
Density functional theory calculations for poly-atomic
systems: electronic structure, static and elastic properties and ab initio
molecular dynamics. Comp. Phys. Commun. 1997; 107; 187-205.
http://dx.doi.org/10.1016/S0010-4655(97)00117-3
9. Dabrowski J, Mussig H-J, Zavodinsky VG, Baierle R, Caldas
MJ. Mechanism of dopant segregation to SiO2/Si(001) intertfaces. Phys. Rev. B 2002; 65;
245 305.
10. Zavodinsky VG. The mechanism of ionic conductivity in
stabilized cubic zirconia. Phys. Solid State 2004; 46(3); 453-7.
http://dx.doi.org/10.1134/1.1687859
11. Zavodinsky VG, Chibisov AN.
Zirconia nanoparticles and nanostructured systems. J. Phys.: Conf. Ser. 2006;
29; 173-6.
http://dx.doi.org/10.1088/1742-6596/29/1/033
12. Zavodinsky VG, Chibisov AN.
Influence of impurities on the stability and electronic states of titanium
dioxide in the form of anatase. Phys. Solid State
2009; 51(3); 507-13.
http://dx.doi.org/10.1134/S1063783409030123
13. Fuchs M, Scheffler M. Ab initio pseudopotentials for electronic
structure calculations of poly-atomic systems using
density functional theory. Comp. Phys. Commun. 1999;
119; 67-165.
http://dx.doi.org/10.1016/S0010-4655(98)00201-X
14. Troullier N, Martins JL. Efficient pseudopotentials for
plane-wave calculations. Phys. Rev. B 1991; 43; 1993-006.
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.43.1993
15. Hamann DR. General norm-conserving pseudopotentials. Phys.
Rev. B 1989; 40; 2980-1.
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.40.2980
16. Perdew JP, Wang Y, Accurate and simple density functional
for the electronic exchange energy. Phys. Rev. B 1986; 33; 8800-2.
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.33.8800
17. Murnagham FD. The compressibility of media under extreme
pressures. Proc. Nattl. Acad. Sci
USA 1944; 30; 244-7.
http://dx.doi.org/10.1073/pnas.30.9.244
18. Monkhorst H J, Pack JD. Special points for Brillouin-zone
integrations. Phys, Rev. B 1976; 13; 5188-2.
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188
19. Russian
site "Chemical encyclopedia/ tungsten carbide" http://www.xumuk.ru/encyklopedia/813.html
20. Price DL,
Cooper BP. Total energies and bonding for crystallographic structures in
titanium-carbon and tungsten-carbon systems. Phys. Rev. B 1989; 39; 4945-77.
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.39.4945
21. Christensen
M, Wahnstrőm G. Co-phase penetration of
WC(10)/WC(10) grain boundaries from first principles, Phys. Rev. B 2003; 67;
115415(11).
22. Mattheiss LF, Hamman DR. Bulk and surface electronic
structure of hexagonal WC. Phys. Rev. B 1984; 30; 4, 1731-8.
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.30.1731
23. Liu AY, Wentzcovitch RM, Cohen ML. Structural and electronic
properties of WC. Phys. Rev. B 1989; 38, 9483-9.
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.38.9483
24. Nabarro FRN, Bartolucci Luyckx S, Waghmare UV. Slip in
tungsten monocarbide: I. Some
experimental observations. Materials Science and Engineering: A. 2008; 483-484;
139-2.
http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2006.09.153
25. Nabarro FRN, Bartolucci Luyckx S, Waghmare UV. Slip in
tungsten monocarbide: II. A first-principles study.
Materials Science and Engineering: A. 2008; 483-484; 9-12.
http://dx.doi.org/10.1016/j.msea.2006.09.174
26.. Kim C-S, Rohrer GS. Geometric and crystallographic
characterization of WC surfaces and grain boundaries in WC–Co composites,
Interface Sci. 2004; 12(1); 19–7.
http://dx.doi.org/10.1023/B:INTS.0000012291.81411.dc
27. Shatov AV, Firstov SA, Shatova IV. The shape of WC crystals in cemented carbides.
Mater. Sci. Eng. A, 1998; 242; 7–4.
http://dx.doi.org/10.1016/S0921-5093(97)00509-1
28. Kim S, Han S-H, Park J-K, Kim H-E. Variation of WC
grain shape with carbon content in the WC–Co alloys during liquid-phase
sintering, Scripta Mater. 2003; 48(5);
635–9.
http://dx.doi.org/10.1016/S1359-6462(02)00464-5
Ссылка на текст
статьи
© 2010 Zavodinsky
V.G. This is an Open Access article distributed under the
terms of the Russian Index of Science Citation License
http://www.uzknastu.ru/files/forautors/en/License%20Agreement.doc, allowing
third parties to copy and redistribute the material in any medium or format and
to remix, transform, and build upon the material for any purpose, even
commercially, provided the original work is properly cited and states its
license.
© 2010 Заводинский В.Г. Данная статья находится в Открытом Доступе
и распространяется на условиях лицензии Российского Индекса Научного
цитирования http://www.uzknastu.ru/files/forautors/en/License%20Agreement.doc,
в соответствии с которыми третьи лица имеют право копировать и повторно
распространять этот материал на любых носителях и в любом формате, а также
микшировать, изменять и использовать в качестве основы для любых целей, в том числе
коммерческих, при условии, что на оригинальное произведение сделаны должным
образом оформленные ссылки и что приведена информация о действующей в отношении
него лицензии.