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《中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)》 2018年
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钨晶界上点缺陷的第一性原理研究

何文豪  
【摘要】:核能系统中材料的宏观辐照损伤效应是载能粒子与材料原子之间两类相互作用的结果。其一是碰撞导致原子位移,使材料中产生大量的空位(V)和自间隙子(SIA);其二是入射离子与材料原子之间的核反应,导致氢(H)、氦(He)等元素掺杂。Vs可能会聚集形成空洞,SIAs可能会聚集形成位错环。H和He原子会在空位、位错、晶界等缺陷处聚集形成气泡。这些缺陷的形成会降低材料的性能,影响核能系统的长期安全运行。晶界作为点缺陷的沉积中心,能够有效增强材料的抗辐照性能,但是实验研究表明不同晶界对点缺陷的沉积能力不同。为了合理地指导晶界工程设计具有优良抗辐照性能的晶界,首先需要研究晶界结构对点缺陷的溶解、偏聚行为的影响。钨(W)及其合金在聚变堆以及加速器驱动次临界系统(ADS)中具有重要的应用前景。因此本论文以W作为研究对象,使用第一性原理的方法系统地研究了W中V、SIA、H、He偏聚行为对晶界结构的依赖关系。主要结果如下:1.研究了晶界结构对V、SIA偏聚行为的影响。结果表明:空位形成能随着空位刚球半径的增大而先增大后减小。当刚球半径为完美晶体中W原子的刚球半径1.38?,空位形成能最大。这表明与单晶钨相比,越稠密或者越稀疏的原子分布越有利于空位的形成。自间隙子形成能随着间隙位置刚球半径的增大而减小。这说明具有更大间隙位置的晶界更有利于自间隙子形成。另外,空位偏聚能随着晶界能的增大而减小。自间隙子偏聚能随着晶界溢出体积的增大而减小。∑3孪晶界具有最小的晶界能以及溢出体积,它对空位和自间隙子的偏聚能力最弱,从而∑3孪晶界降低了V与SIA复合几率。因此,与其它晶界相比,∑3孪晶界不利于V与ZIA的复合。2.研究了晶界结构对H原子偏聚行为的影响。结果表明:氢间隙子与最近邻钨原子之间的平衡距离约为1.95?。氢原子溶解能随着间隙位置刚球半径的增大而减小,当刚球半径大于0.57?(对应的H原子到最近邻W原子的距离刚好是1.95?)时,变化趋势明显减缓。这是因为当刚球半径大于0.57?时,氢间隙子引起的晶格畸变对氢原子溶解能的贡献基本为零。另外,∑3孪晶界对氢原子的偏聚能力最弱。通过分析H原子浓度与晶界分离功之间的关系,可以看出,∑3孪晶界最抗氢致沿晶断裂。3.研究了晶界结构对He原子偏聚行为的影响。结果表明,在晶界上,He原子更喜欢占据电荷密度低的间隙位置。氦间隙子与间隙位置周围钨原子的作用是局域的,因此氦原子溶解能可能由间隙位置的局域特征决定。分析发现,氦原子溶解能随着间隙位置的Voronoi体积增大而减小,并且实际间隙位置氦原子溶解能与钨团簇中氦原子溶解能一致。据此,我们建立了一个可以定量估计氦原子溶解能的模型。在这个模型中,我们只需要知道间隙位置的Voronoi体积,而不需要大量的第一性原理计算就能够估算出实际间隙位置中的氦原子溶解能。另外,氦原子偏聚能随晶界溢出体积的增大而减小。∑3孪晶界具有最小的溢出体积,因此它对He原子的偏聚能力最弱。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TL627

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