《氦在鉺、鈧氫化物中行為的動力學模擬及實驗研究》是依託電子科技大學,由楊莉擔任醒目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：氦在鉺、鈧氫化物中行為的動力學模擬及實驗研究
- 依託單位：電子科技大學
- 項目類別：聯合基金項目
- 項目負責人：楊莉
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
儲氚材料是當今材料科學研究的熱點之一，其中稀土金屬鉺、鈧由於儲氚能力強、實驗周期較短、室溫平衡壓較低而被選作儲氚材料的研究對象。氚具有放射性，會衰變生成氦，因此研究材料中氦原子的行為對提高儲氚材料的固氦性能十分必要。從理論上直接模擬氚化物中的氦行為是相當困難的，通過氫化物進行先期研究和模擬是必要的。本項目首次將理論和實驗研究相結合，對氦在鉺、鈧氫化物中的行為進行系統研究。理論方面首次將從頭算、分子動力學方法相結合對氦在鉺、鈧氫化物中的演化過程進行動力學模擬，揭示氦的擴散、遷移和聚集機理，以及氦的演化過程對鉺、鈧氫化物的微觀結構和巨觀性能的影響。實驗方面擬採用透射電鏡等多種實驗手段觀測鉺、鈧氫化物中氦泡的形成、演變過程的微觀形貌。模擬結果將用來解釋和指導實驗研究，而實驗研究又反過來驗證理論的正確性，為最終提高儲氚材料的固氦性能提供有力的依據。
結題摘要
由於氚會衰變成氦，因此研究材料中氦的行為對提高儲氚材料的性能十分必要。本項目將計算機模擬和實驗研究相結合，對氦在鉺和鈧及其氫化物中的行為進行了系統研究。採用VASP 主要研究了：氦在hcp結構鉺、鈧中的占據位置和遷移行為；氦出現對鉺、鈧力學性能的影響；鉺、鈧氫化物體系的beta相中氦的行為。VASP的計算結果表明氦在鉺和鈧中的行為相似，氦易於占據在四面體間隙位置，並在低溫時從四面間隙位置沿c軸遷移到它最鄰近的四面體間隙，高溫時出現T-O-T與T-BO-T遷移，氦的出現導致體系彈性性能降低；氦在beta相的氫化鉺和氫化鈧中的行為也相似，當無氫空位時，在兩種氫化物中氦都選擇從八面體間隙經過被氫占據的四面體間隙到八面體間隙遷移，但與氫化鈧相比，氫化鉺中氫空位有助於氦的遷移；氦的出現導致氫化物的力學性能降低，當氦與金屬比例約為0.13時體系力學性能劇降，其原因是氦開始聚集。擬合了He-Er-H三元體系的相互作用勢，首先擬合了鉺-氫體系的BOP勢，該套作用勢很好地再現了hcp 鉺的多種體相性質和點缺陷性質，以及鉺中氫的行為和ErH2的結構性質。採用兩種勢函式形式(BOP和多體勢)擬合了Er-He和H-He相互作用勢。利用我們擬合的作用勢，採用分子動力學程式模擬研究了鉺中氦的遷移、聚集，分析了氦泡形核和生長過程；採用分子動力學程式研究了鉺氫化物中氦團的結構，初步模擬了鉺氫化物中氦的遷移與聚集。初步擬合了He-Sc-H三元體系的相互作用勢。實驗研究結果表明：在較低溫度下製備鉺膜時，由於鉺中的雜質氣體不能被排除，而是直接沉積在基片上形成鉺膜，因而導致了基片溫度越低鉺膜的氧化越嚴重；電子束沉積法製備的鉺膜為柱狀晶結構，且晶粒大小隨基片溫度升高而增大，表明溫度越高吸附在基片上的鉺原子擴散激活能越大，促進了晶粒間的合併長大；在單晶矽基片上沉積鉺膜時，溫度升至350 oC時，鉺膜表面出現等邊三角形的針孔，該針孔的形狀一致於密排六方結構的鉺的(002)晶面和面心立方結構的矽的(111)晶面，表明在該溫度時已開始發生界面反應；鉺氫化物存在兩種相結構，hcp的ErD3和fcc的ErD2結構，熱解析結果表明兩種結構的熱分解溫度分別為503 oC和883 oC；氦離子注入後，鉺和氘化鉺的各個衍射峰形向低角度方向展寬，而高角度方向與注氦前峰形一致，表明氦泡的形成導致了晶格的膨脹。
