實驗時間尺度下納米晶鐵抗輻照損傷性能模擬研究

《實驗時間尺度下納米晶鐵抗輻照損傷性能模擬研究》是依託中國科學院合肥物質科學研究院，由劉長松擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：實驗時間尺度下納米晶鐵抗輻照損傷性能模擬研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉長松
• 依託單位：中國科學院合肥物質科學研究院

項目摘要

設計能承受大劑量輻照損傷的核結構材料或找到材料具有最佳抗輻照性能的工作視窗不僅具有重要的意義，也是一個巨大的挑戰。納米晶材料通常呈現出較好的抗輻照性能，但並不是在任何條件下的抗輻照性能都好。實驗表明納米晶/多晶材料的輻照回響與輻照條件（溫度和輻照劑量）和晶粒尺寸等因素有關。本課題擬開展實驗時間尺度下納米晶鐵抗輻照損傷性能模擬研究。以bcc-Fe為主要對象，以跨時間尺度的溫度加速的分子動力學為主要模擬手段，結合經典分子動力學、靜態計算和激活能譜分析等方法或技術，研究納米晶鐵輻照損傷與修復的結構演化及其動力學過程，澄清多晶和納米晶材料輻照回響與晶粒尺寸、溫度和輻照劑量依賴關係的微觀圖像。最終在晶粒尺寸、溫度和輻照劑量等參數空間中尋找材料抗輻照損傷的最佳運行視窗，為設計、研發和評估抗輻照材料提供有實際意義的信息或數據。

結題摘要

由於納米晶中輻照缺陷微結構演化涉及輻照缺陷跨時間和空間尺度上的擴散、偏聚、團簇化和複合等過程，實驗時間尺度上納米晶鐵輻照損傷自修復機理進展緩慢。本項目開展實驗時間尺度下納米晶鐵抗輻照損傷性能模擬研究。以體心立方鐵中典型晶界為研究對象，以溫度加速動力學方法（TAD）為主要模擬技術，結合晶界分子動力學（MD）和靜態計算（MS），研究了納米晶鐵中輻照缺陷與晶界在不同時間和空間尺度上作用機理。主要研究內容和結論如下：（1）採用MD和MS系統研究鐵晶界附近缺陷產生規律和點缺陷的能量學、動力學行為。研究發現，在輻照過程中晶界通過原子鏈取代過程優先吸收自間隙原子，在晶界附近留下空位/空位團簇。（2）採用TAD考察初始損傷結構在長時間尺度下的行為。研究發現晶界附近缺陷靠形成能和擴散能壘均有所降低。間隙與晶界之間有更大的結合能、更寬的作用範圍和更低的擴散能壘。晶界吸收間隙後，圍繞自間隙原子形成空位-自間隙自發複合區域。在此區域之外，空位與自間隙通過空位擴散與間隙發射的耦合的低能壘複合。自間隙原子的局域激發誘導複合區域向鄰近區域拓展或傳播。提出了“發射阻力”（勢阱深度除以勢阱半寬度）表征間隙原子從缺陷阱處發射的難易程度。研究還發現，輻照誘導的自間隙原子團簇缺陷在靠近局域緊湊的晶界結構時被反射進晶粒內部，可與晶粒內部空位進行複合。晶界除了作為點缺陷的阱外，還可以作為小型空位團簇的阱。（3）研究不同時間和空間尺度下缺陷擴散、複合行為，評估納米晶鐵輻照回響對溫度、輻照劑量和晶粒尺寸等依賴關係。鑒於TAD方法在空間尺度上的局限性，還開發了動力學蒙特卡洛方法（KMC）。研究發現空位-自間隙對除了在塊體中複合外，還可通過優先偏聚在晶界處的自間隙原子沿晶擴散而複合晶界附近的空位。該項研究工作獲得了鐵納米晶微觀和巨觀的輻照損傷自修復圖像。對於認識與理解晶界在輻照損傷自修復過程中的作用具有重要的學術意義和工程參考價值。