黄铁矿型硅氮化物的温度依赖性结构稳定性、机械强度及热力学性质

《Physical Chemistry Chemical Physics》：Temperature-dependent structural stability, mechanical strength, and thermodynamics of pyrite-type silicon pernitride

硅氮化物p-SiN?通过第一性原理分子动力学模拟证实其在3900 K时仍保持优异结构稳定性，弹性模量和机械强度（峰值超40 GPa）显著优于γ-Si?N?，且呈现显著温度依赖性。首次系统揭示其热力学参数，发现N?二聚体压缩诱导剪切应变强化效应，为极端环境应用提供理论支撑。

　　

作为一类典型的高温结构陶瓷和多功能陶瓷，氮化硅引起了极大的关注。其中，最近合成的黄铁矿型硅氮化物（p-SiN?）因其独特的结构而备受关注：该材料由SiN?八面体通过N?二聚体相互连接而成，展现出优异的机械性能。为了评估其在极端环境中的适用性，我们利用从头算分子动力学（AIMD）模拟方法对其高温结构稳定性、弹性行为、机械强度和热力学性质进行了全面研究。研究结果表明，p-SiN?在高达3900 K的温度下仍保持优异的结构稳定性，这一性能与金刚石（4100 K）相当，这一结论得到了热分析和动力学分析的共同验证。在0 K时，与参考材料γ-Si?N?相比，p-SiN?在主要晶体学方向上的抗拉断裂能力和塑性剪切变形能力更强，所有强度峰值均超过40 GPa。值得注意的是，观察到了压痕诱导的剪切-应变硬化效应，这归因于N?二聚体内N-N键的压缩缩短和强化。尽管p-SiN?的弹性模量仅略有下降（约27%），但其机械强度随温度升高而显著降低，在3000 K时降低了约50%。通过采用准谐近似方法，我们首次获得了p-SiN?的热力学参数，并将其与γ-Si?N?的热力学参数进行了比较。这些发现清楚地表明了这种新型氮化硅相的结构稳定性、弹性/塑性响应及热力学性质对温度的强烈依赖性，从而凸显了其在极高温度应用中的潜力。