Mechanical and Thermal Properties for Uranium and U–6Nb Alloy from First-Principles Theory

德拜模型 凝聚态物理 声子 热膨胀 材料科学 密度泛函理论 体积模量 正交晶系 剪切模量 弹性模量 态密度 负热膨胀 热力学 晶体结构 结晶学 化学 物理 计算化学 复合材料
作者
Per Söderlind,Lin Yang,A. Landa,Amanda S. Wu
出处
期刊:Applied sciences [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:11 (12): 5643-5643 被引量:12
标识
DOI:10.3390/app11125643
摘要

Elasticity, lattice dynamics, and thermal expansion for uranium and U–6Nb alloy (elastic moduli) are calculated from density functional theory that is extended to include orbital polarization (DFT+OP). Introducing 12.5 at.% of niobium, substitutionally, in uranium softens all the cii elastic moduli, resulting in a significantly softer shear modulus (G). Combined with a nearly invariant bulk modulus (B), the quotient B/G increases dramatically for U–6Nb, suggesting a more ductile material. Lattice dynamics from a harmonic model coupled with a DFT+OP electronic structure is applied for α uranium, and the obtained phonon density of states compares well with inelastic neutron-scattering measurements. The Debye temperature associated with the lattice dynamics falls within the range of experimentally observed Debye temperatures and it also validates our quasi-harmonic (QH) phonon model. The QH Debye–Grüneisen phonon method is combined with a DFT+OP electronic structure and used to explore the anisotropic thermal expansion in α uranium. The anomalous negative thermal expansion (contraction) of the b lattice parameter of the α-phase orthorhombic cell is relatively well reproduced from a free-energy model consisting of QH-phonon and DFT+OP electronic structure contributions.

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