Estudio de las propiedades elásticas del aluminio puro y dopado con vacancias e impurezas de escandio, cromo, níquel y cobre bajo presión

Abstract

En la presente investigación se realizó un estudio de primeros principios de las propiedades estructurales mecano-elásticas del aluminio (Al), y del Al dopado con vacancias (v) e impurezas de escandio (Sc), cromo (Cr), níquel (Ni) y cobre (Cu), a distintas presiones. Los cálculos se realizaron empleando la aproximación no relativista FP-LAPW dentro del marco de la teoría del Funcional de la Densidad (DFT), mientras que la energía de correlación e intercambio de los electrones se describe en la aproximación del gradiente generalizado (GGA) mediante el programa computacional Wien2k. Para esto se realizó una optimización de los parámetros cristalinos de la estructura del Al puro y de la estructura del aluminio con un átomo de su red reemplazado con una impureza o vacancia para luego determinar los módulos elásticos de cada estructura (Al3-Sc, Al3-Cr, Al3-Ni, Al3-Cu y Al3-v). Los parámetros de equilibrio de la red se obtuvieron mediante una optimización de volumen ajustada a la ecuación de estado de Birch-Murnaghan. En las estructuras estudiadas se notó un crecimiento del parámetro de red para el Al3-Sc y un decrecimiento para el Al3-Cr, Al3-Ni, Al3-Cu y Al3-v con respecto a la estructura original de Al. Con estos parámetros se evaluaron las bandas electrónicas y la densidad de estados de cada una de las estructuras consideradas, ratificando el carácter metálico de las mismas. Los módulos elásticos de cada estructura fueron evaluados desde un estado estructural comprimido a uno expandido, para presiones de -6, -4, -2, 0, 2, 4 y 6GPa. La magnitud del módulo de compresibilidad (B) se ordenó de mayor a menor para las estructuras Al3-Ni, Al3-Cr, Al3-Cu, Al3-Sc, Al, Al3-v; este módulo presentó un comportamiento lineal con la presión en el rango de presiones estudiadas. El módulo de cizalladura (G) mostró un valor variante con la presión, siendo la estructura Al3-Sc la que generalmente presenta el mayor valor. El módulo de Young presentó un incremento para todas las estructuras estudiadas, especialmente la estructura Al3-Cr. En cuanto al radio de Poisson, se evidenció un incremento de éste para la estructura Al3-Ni y un decrecimiento para el resto de ellas con respecto a la estructura original del Al. La explicación de este comportamiento radica en la interacción electrónica de los electrones s y p del aluminio con los electrones d de las estructuras estudiadas, la no existencia de dicha interacción en Al3-v reafirman su bajo valor. Con la finalidad de determinar el carácter dúctil o frágil de las distintas estructuras se evaluó la magnitud B/G, sabiendo qué un valor de 1,75 para dicha magnitud refleja que la estructura es dúctil y de lo contrario refleja fragilidad, lo que nos permitió concluir que reemplazar un átomo de la red de Al con un átomo de Ni mejora su ductilidad, mientras que la introducción de Cu y vacancias la reduce y la introducción de los átomos de Sc y Cr producen una estructura frágil.