幾種典型金屬及合金中He行為的原子模擬研究.pdf

1、貯氚材料中，由于氚核自然衰變產(chǎn)生的He不溶于材料基體，He原子容易通過(guò)聚集而成泡，最終引起He的釋放，從而破壞了晶體的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致材料宏觀性能的下降，并誘發(fā)材料使用性能的下降。因此，建立一套表征材料固氦屬性方法來(lái)優(yōu)選性能優(yōu)異的貯氚材料是推進(jìn)核聚變技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵之一。要表征材料固氦屬性，就必須要弄清楚材料中He的釋放機(jī)理，這就要求對(duì)材料中He的存在形態(tài)及其演化行為進(jìn)行系統(tǒng)而深入的研究。利用實(shí)驗(yàn)手段很難在原子尺度跟蹤He原子或He泡的擴(kuò)散和演

2、變過(guò)程，也不能直接觀察或據(jù)此推測(cè)其擴(kuò)散和演變機(jī)制，也就難以完整描述材料中He的擴(kuò)散聚集和He泡形成及演變規(guī)律。計(jì)算機(jī)模擬是一種能有效研究材料中He行為的方法，能彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)的缺陷，從微觀尺度探測(cè)He的演化行為。
　　本文選取幾種典型的金屬及合金(如Pd，Zr，Ti和ZrV2等)作為研究對(duì)象，結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)方法和改進(jìn)分析型嵌入原子模型研究了晶體中He的各種行為。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，建立了一套有效的量化評(píng)價(jià)方法來(lái)表征材料的固氦屬性，為He問(wèn)題的

3、研究打下了基礎(chǔ)，并為貯氚材料的選材提供了理論依據(jù)。
　　通過(guò)對(duì)幾種典型金屬及合金中單個(gè)間隙He原子熱擴(kuò)散性質(zhì)的模擬研究，發(fā)現(xiàn)He原子的擴(kuò)散性質(zhì)與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的材料固氦能力有關(guān)聯(lián)，即He原子在材料中的擴(kuò)散越弱，材料的固氦屬性就越強(qiáng)。因此，通過(guò)計(jì)算材料中He原子的間隙擴(kuò)散性質(zhì)，可以初步評(píng)估材料的固氦屬性。
　　通過(guò)對(duì)原子進(jìn)行跟蹤，發(fā)現(xiàn)材料中He泡的形核是金屬原子的離位和He與空位結(jié)合成團(tuán)共同作用的結(jié)果。在不存在離位損傷的情況下，間隙

4、He原子通過(guò)與自間隙發(fā)射所產(chǎn)生的空位結(jié)合形成一系列He-空位團(tuán)簇，并通過(guò)不斷吸收附近的He原子或空位，以及通過(guò)團(tuán)簇間的相互合并，排擠出團(tuán)簇內(nèi)部的金屬原子，最終形成He泡。體系溫度的升高可在一定程度加速He泡的形核過(guò)程。He泡形成后，將通過(guò)吸收He原子等逐漸長(zhǎng)大。通過(guò)對(duì)晶體Pd和LaNi5中He泡合并長(zhǎng)大過(guò)程的模擬，發(fā)現(xiàn)泡間距離是He泡合并發(fā)生的關(guān)鍵因子。在晶體內(nèi)，存在某一臨界距離，當(dāng)He泡間的距離小于臨界距離時(shí)，He泡間能通過(guò)相互作用最

5、終合并，促進(jìn)He泡的長(zhǎng)大。若He泡間的距離大于臨界距離，He泡間合并難以發(fā)生。溫度的升高能有效加速He泡合并，且He泡合并臨界距離隨系統(tǒng)溫度的升高而增加。
　　在金屬晶體近表面區(qū)域存在一個(gè)“逃逸區(qū)”，一旦He泡進(jìn)入這個(gè)區(qū)域，He泡迅速向晶體表面膨脹直至破裂，He原子通過(guò)不斷排擠金屬原子形成一條通向表面的通道，He泡中大量的He原子沿著這條通道擴(kuò)散至材料表面，最終釋放，僅有少量He原子滯留在晶體內(nèi)。He的釋放是一個(gè)瞬時(shí)過(guò)程，大量的H

6、e原子通過(guò)在表面形成的孔洞如火山噴發(fā)似的釋放出來(lái)。通過(guò)對(duì)He釋放行為進(jìn)行微觀機(jī)制分析，發(fā)現(xiàn)He泡釋放“逃逸區(qū)”的厚度與材料表面張力強(qiáng)度密切相關(guān)。隨著材料中He濃度的不斷升高，金屬及合金中He的釋放大致經(jīng)歷初期釋放和加速釋放兩個(gè)階段。在He初期釋放階段，僅有少量表面區(qū)域的He原子及小He泡或團(tuán)簇從晶體表面中釋放。隨著濃度的增加，晶體內(nèi)部He泡相互連通并逐漸合并，從而形成相互連通的通道網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)He濃度超過(guò)臨界釋放濃度時(shí)，He釋放突然加速，晶

7、體內(nèi)大量的He原子通過(guò)連通網(wǎng)絡(luò)從表面最終釋放。這些過(guò)程與金屬及合金中He原子及He團(tuán)簇的擴(kuò)散和遷移密切相關(guān)，基于此建立了He加速釋放臨界濃度與He原子擴(kuò)散系數(shù)之間的量化關(guān)系以預(yù)測(cè)材料的固氦屬性。
　　通過(guò)對(duì)金屬Pd納米絲的研究，發(fā)現(xiàn)He泡的存在對(duì)納米絲力學(xué)性質(zhì)有著重要影響。He泡通過(guò)有效抑制金屬原子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而抑制納米絲中滑移面的出現(xiàn)，造成納米絲延展性能的降低。隨著He泡尺寸的增加，抑制作用更明顯，從而加速納米絲的斷裂。He釋

8、放產(chǎn)生大量的孔洞等缺陷，對(duì)材料力學(xué)性質(zhì)也有重要作用。研究表明在拉伸作用下Pd納米絲首先發(fā)生孔洞的填充。隨著應(yīng)變的增加，納米絲中孔洞尺寸不同對(duì)其力學(xué)性能的影響不同。若孔洞較小，納米絲的拉伸行為與完整Pd納米絲基本相同；孔洞增加到一定尺寸后，能有效抑制層錯(cuò)的滑移，從而加速納米絲的斷裂。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)金屬納米絲，其形變機(jī)制是不同的。V納米絲在拉伸作用下，主要以孿晶形式發(fā)生形變。通過(guò)研究含孔洞V納米絲的拉伸性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)孔洞并不發(fā)生原子填充?？锥赐ㄟ^(guò)