第28卷第3期 2009年3月
中国材料进展 MATERIALSCHINA
Vol.28No.3 Mar.2009
金属/陶瓷界面的第一原理热力学研究
李洪涛1,2，张文清
（1.中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室，上海
200050）
（2.中国科学院研究生院，北京100049）
摘要：系统地阐述了用于金属/陶瓷界面稳定性研究的第一原理热力学方法。首先介绍了第一原理热力学方法的理论基础，在第一原理计算中引人了化学势的概念，通过连接能把第一原理计算值与热力学参数（活度，气体偏压）连接起来，构成了第一原理热力学计算的基本理论基础。其次给出了第一原理热力学方法用于金属/AI,O，界面研究的具体例子，如Ni/A,O，的
界面结构稳定性与环境变量活度、氧偏压和化学势差之间的定量关系，进一步述该方法的有效性。关键词调：金属/陶瓷界面；第一原理热力学方法；化学势：活度；偏压
中图法分类号：TB333
文献标识码：A
文章编号：16743962(2009)03001304
AbInitio
ThermodvnamicMethod
forMetal/Ceramic Interfaces
LI Hongtaol-2，ZHANGWenqing
(1. State Key Laboratory of High Performance Ceramics and Superfine Microstructures, Shanghai
Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China)(2. Graduate University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)
Abstract: The methodology of ab initio themodynamics is presented systematically for study of the structural stability of metal/ceramic interfaces., Firstly, the theoretical fundamental of ab initio thermodynamic method is described. The chemi-cal potential is introduced into ab initio calculations of interfacial energy, so that the link between ab initio data and ther-modynamic parameters ( activity , partial pressure) can be established. The free energies connecting b initio with thermo-dynamic standard states are called connection energies. Then, several examples of model interfaces ( such as Ag/ Al, Os , Ni/Al, O, ) calculated by ab initio thermodynamics are given to further illustrate its effectiveness, for instance, the quanti-tative relationship between the interface structural stability of Ni/Al, O, and the environment variables (activity, oxygen partial pressure) and chemical potential difference.
KeywOrdS : metal/ceramic interfaces; ab initio thermodynamic method; chemical potential; activity; partial pressure
1前言
金属/陶瓷复合材料在工业、国防等领域中的电子封装、合金弥散强化、发动机叶片腐蚀防护、多相催化以及金属和陶瓷的焊接等方面有着重要的应用1-6]。金属/瓷复合材料的寿命主要与金属/陶瓷界面的结合强度有关1-5]。本质上，界面的微观结构决定着界面的力学性质。
界面的结构主要是通过显微分析方法来研究的(2,41，收稿日期：200902-23
基金项目：国家自然科学基金（50825205，50821004，50820145203）、
中国科学院知识创新工程项目（KCCX2-YW-206）资助
通信作者：李洪涛，男，1980年生，博士研究生
例如X射线衍射、电镜和能谱分析技术等。虽然实验研究可以获得界面的主要组成元素和大体结构模型等信息，但要从原子尺度上定量地研究界面的微观结构和化学键的特性，实验手段往往是有局限性的。上世纪八九十年代，能够处理复杂化学键的第一原理方法开始应用于界面研究[3-12]，明显促进了界面理论研究的发展。由于金属与化合物界面化学组分的变化导致界面能定义以及界面结构的不确定性，对较为复杂的金属/陶瓷界面（如金属/Al,O,），即使对看起来单纯的界面结构稳定性间题也没有一个系统的处理方法，尤其缺乏计算数据与环境依赖的关系。近些年来，张文清和Smith[3)以及 Finnis[14]等人逐步建立了一套用于复杂界面结构稳定性与粘结（adhesion）问题研究的系统的第一原理热力学方法，从而揭示了界面稳定性与原子化学势以及环境变量