钨中溶质对辐照损伤和氢滞留影响的第一性原理研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gongwen_2003
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溶质原子与点缺陷相互作用会影响材料中微观结构及其演化,进而改变材料的力学性质。本文中我们利用第一性原理方法系统研究了钨基材料中溶质原子与点缺陷的相互作用,相关结果阐明了溶质原子对材料中辐照损伤和氢滞留的影响。  对间隙溶质原子,研究发现间隙氢原子能够在间隙溶质原子周围聚集形成间隙缺陷复合体,并导致近邻格点稳定性降低。间隙溶质原子易被空位捕获,形成间隙溶质原子和空位复合体。该复合体的形成会略微降低空位对氢的捕获能力和捕获效率,却能显著增加空位近邻间隙点位对氢原子的捕获能力和效率。最终,显著增大空位及其周围氢原子的聚集浓度,有利于更大的空位氢复合体的形成。间隙溶质原子能够提高空位以及空位氢复合体的热稳定性,使空位以及空位氢复合体浓度显著增大,提高钨中氢的捕获点个数,增加材料中氢的滞留量。基于上述结果提出了氢泡成核的杂质诱捕机制。间隙溶质原子可以作为氢的捕获点,形成杂质-氢的缺陷团。该缺陷团会显著弱化周围钨原子间相互作用,降低空位形成能。当捕获氢原子浓度达到一临界值时,近邻某些格点处空位形成能降为负值,达到空位自发形成的条件。此时较低能量就可以产生一个新的空位从而形成空位-杂质-氢缺陷团,即为氢泡的成核点。一方面,这些空位-杂质-氢团簇形成更大的弱键区,产生新的空位,从而捕获更多的原子,最终形成氢泡。另一方面,因为杂质的存在,空位-杂质-氢团簇的热稳定性增强,在体系中可以大量的稳定的存在,这些团簇扩散聚集形成的更大的团簇,也可形成氢泡。此外,自间隙和间隙溶质原子结合能为正,表明两者倾向于聚集。这一相互作用会阻碍自间隙的扩散,从而影响自间隙的长程迁移,并促进间隙团簇的形成,增加块体中间隙缺陷浓度。又因间隙原子占据空位处,阻碍了空位与间隙原子的复合,因此间隙溶质原子会加大材料的辐照损伤。  对替代溶质原子,研究发现对于钨前面的过渡金属元素不倾向于在块体内聚集而其后面的过渡金属元素将倾向于在块体内聚集。除了几个特殊情形,溶质原子和点缺陷都是相互吸引。通过能量拆分,我们仔细研究了溶质与点缺陷相互作用的控制因素,得到如下规律:溶质原子与空位相互作用主要受电子相互作用影响,具有较大电负性的溶质原子倾向于空位结合,且电负性越大结合能力越强;溶质原子与间隙相互作用主要受晶格畸变影响,具有较小金属半径的溶质原子倾向于与自间隙结合,且半径越小结合能力越强。我们的研究结果很好地解释近期的一些辐照损伤的研究结果,并且结合这些实验结果,我们建议在聚变堆中Re是钨中最合适的合金原子。同时应该在W-Re合金中加入一定的Ta来调节中子辐照下钨中Re和Os的浓度。
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