过渡金属掺杂Zr2B4陶瓷的弹性、热力学与光学性能调控：第一性原理研究

研究人员通过第一性原理计算（DFT）探究了Cu、Zn、Mn掺杂对Zr2B4陶瓷结构、弹性、热力学及光学性能的影响，发现Mn掺杂显著提升材料延展性，Zn掺杂使德拜温度达1244?K，适用于高温防护系统。该研究为航空航天等领域的高性能陶瓷设计提供了理论依据。

　　

在航空航天、核能等极端环境应用中，材料需要同时具备高强度、耐高温和优异的热力学稳定性。传统ZrB₂陶瓷虽具有高熔点（>3000?°C）和硬度（>20?GPa），但其脆性和有限的功能可调性制约了进一步应用。如何通过元素掺杂调控其性能，成为材料科学领域的关键挑战。

针对这一问题，研究人员通过密度泛函理论（DFT）系统研究了Cu、Zn、Mn三种过渡金属掺杂对Zr₂B₄陶瓷的多维性能影响。研究发现，掺杂导致晶格参数收缩（如Mn掺杂使晶胞体积从61.47??³降至55.42??³），并显著改变力学性能：ZrCuB₄因Cauchy压力（C_p）达110.3?GPa呈现独特延展性，而ZrZnB₄因负泊松比（-0.12）表现出抗冲击特性。德拜温度分析显示，ZrZnB₄以1244?K的数值成为高温应用（如航空发动机部件）的理想候选。光学性能方面，Mn掺杂引起蓝移，静态折射率n(0)高达9.06，而Cu/Zn掺杂导致红移，这种可调控的光学响应使其在光电传感器领域潜力巨大。相关成果发表在《Next Materials》期刊。

研究采用CASTEP软件包，基于GGA-PBE泛函进行几何优化，结合应力-应变法计算弹性常数，通过Mulliken布居和Hirshfeld电荷分析揭示键合特性，并利用Kramers-Kronig关系推导光学参数。

3.1 结构分析
掺杂使晶格参数系统性减小，Mn掺杂体系的各向异性最强（C₁₁/C₃₃=1.94），B-B键共价性主导（键级2.63）。

3.2 电荷分布
电子密度差显示B原子获得负电荷（Hirshfeld电荷-0.12e），Zr-CuB₄中Cu-4s轨道在费米面附近贡献显著。

3.3 力学性能
ZrMnB₄保持机械稳定性（C₄₄=157.39?GPa），而ZrCuB₄剪切模量骤降至28.87?GPa，Pugh比值（B/G=6.64）揭示其延展性机制。

3.4 德拜温度
声速计算表明ZrZnB₄平均波速达8947?m/s，其高热稳定性源于Zn-3d与B-2p轨道的强杂化。

3.5 电子结构
所有体系在费米能级均无带隙，ZrMnB₄的Mn-3d态在-2?eV处形成特征峰，证实金属导电性。

3.6 光学性能
静态介电常数ε₁(0)最高达82.08（ZrMnB₄），紫外区吸收系数达3.7×10⁵?cm^-1，反射率在53%-67%间可调。

该研究首次阐明过渡金属掺杂对Zr₂B₄陶瓷的多尺度调控机制：Mn增强延展性，Zn优化热稳定性，Cu诱导光学红移。这些发现不仅为设计新一代高温结构-功能一体化陶瓷提供理论路线图，其揭示的"单元素多效应"调控策略更可拓展至其他过渡金属硼化物体系。特别是ZrZnB₄的负泊松比特性，在航天器防震部件中具有独特应用价值。研究采用的"计算指导-性能预测"模式，显著降低了高温陶瓷的研发成本与周期。