Zr基非晶合金中子辐致结构演化与自愈性研究

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寻求性能优异的核结构材料是核能领域的热点问题。辐照后材料结构变化导致的性能下降威胁着核反应堆的安全,设计和开发新型耐辐照核结构材料至关重要。非晶合金因其“短程有序、长程无序”的微观结构特征,具有优异的物理、化学和机械性能,同时还具有较高的耐辐照性。但辐照过程中非晶合金的结构演化及其影响机制尚不清晰。由于传统实验手段很难对辐照影响材料结构变化的中间过程进行探索与分析,因此本文主要采用分子动力学模拟的方法来探究中子辐照诱导非晶合金微观结构的演化机制。首先,选用非晶形成能力较好的Zr2Cu二元成分作为研究对象,给予模型中离顶点最近的Zr原子15 ke V能量,使其成为初级离位原子(PKA)以模拟中子辐照,利用分子动力学软件LAMMPS进行后续结构演化模拟。整个模拟过程基于级联效应选择了五个具有代表性的瞬态模型和三个对比研究区域,通过计算Voronoi团簇、配位数、规则度、原子堆积效率、自由体积等非晶结构参量进行详细的结构分析。结果表明,辐照使模型部分液化,其结构变得更加无序。总体表现为:主要类型的团簇含量减少,团簇类型增加,在团簇尺度上更加离散;第一壳层配位数明显下降;团簇规则度降低,较规则的二十面体结构被破坏,其他团簇向空间构型更为扭曲的结构转化;级联碰撞产生了大量的类空位缺陷,空位湮灭过程中转化为自由体积,从而造成自由体积含量增加;级联效应过程中体系内原子不再致密堆积,导致原子堆积效率降低。但经过降温并充分结构弛豫后,以上参数都能恢复到与辐照前持平的状态,这充分说明了Zr2Cu非晶合金受到辐照后具有优异的结构自愈性。本文的工作对研究非晶合金材料的耐辐照性提供了思路和理论依据。
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