用正電子湮沒譜研究W、Zr等納米合金的結構穩定性

《用正電子湮沒譜研究W、Zr等納米合金的結構穩定性》是依託武漢大學，由王柱擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：用正電子湮沒譜研究W、Zr等納米合金的結構穩定性
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王柱
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

本項目從溶質偏析穩定納米晶結構的新途徑出發,選擇溶質偏析焓和混合焓均高,從而有利於溶質在晶界聚集和降低合金自由能的,並且在核工業有重要套用前景的W、Zr等合金體系為研究對象。採用液氮深冷高能球磨技術結合高壓快速燒結技術製備納米合金樣品。利用對微結構研究非常有效的正電子湮沒技術，包括能鑑別缺陷化學環境和晶界原子偏析的二維符合都卜勒展寬譜，以及X射線衍射、電子顯微鏡、X射線能譜(EDS)等手段，並結合理論計算和模擬，研究納米合金成分與晶粒度的關係，研究晶界溶質偏析程度對納米晶粒尺寸以及合金結構穩定性的影響。通過輻照引入缺陷和雜質，研究缺陷和雜質與晶界的相互作用，了解缺陷和雜質對晶界能的貢獻，揭示缺陷與雜質影響納米合金穩定性的機制。研究結構穩定的納米合金的力學性能。本項目研究結果對穩定的納米結構材料的設計和促進納米材料的套用研究具有重要的科學意義和實用價值。

結題摘要

納米材料在走向實用的過程中遇到很大的晶粒長大問題。這是因為體積分數很大的晶界伴隨著內在固有的結構不穩定性。晶粒長大的本質是質量通過界面的傳輸。按照Chookajorn et al理論假設，對於確定的二元合金體系，晶粒尺寸將是穩定的。這需要實驗檢驗。此外，影響納米晶材料的穩定的因素還有很多，輻照、缺陷和微量雜質都可能有重大影響。本研究項目採用高能球磨技術製備了納米Zr-Mg、Fe-Zr合金納米金屬粉末。研究結果顯示，經過相同的退火溫度處理後，鋯鎂合金的晶粒尺寸要明顯小於金屬鋯的晶粒尺寸。對於平均晶粒尺寸為7.12nm的Fe-Zr體系，採用大電流高壓快速燒結工藝，製備了Fe-Zr合金納米材料。研究表明在800℃燒結溫度下，燒結10分鐘內晶粒大小沒有明顯變化，10分鐘後開始明顯長大，說明了晶粒生長的熱力學變化，晶粒生長需要活化能的積累，溫度一定時，燒結時間越長，越有利於晶粒生長活化最終推動晶界移動，並導致晶粒生長。溫度也是影響晶粒長大的重要因素，燒結時間固定為10min時，合金晶粒大小隨溫度的變化存在一個突變的溫度點，在800 ℃，鐵鋯納米合金晶粒劇烈長大，從15nm左右急劇長大到28nm，更高的溫度下，晶界移動的活化能更容易積累。SiC和Zr中雜質擴散研究表明缺陷對雜質原子的擴散起了決定性的作用。晶界與本徵點缺陷的相互作用研究表明，晶界能夠有效的促進間隙原子與空位複合，從而抑制納米材料中的點缺陷。鈦酸鋇和鈦酸鍶的研究表明，由於其中本徵缺陷濃度極高，無論如何燒結，納米原材料都會在開始燒結時急劇長大從而很難製備納米陶瓷塊體材料。材料表面吸附研究表明，表面和亞表面的雜質及缺陷對原子的吸附和解離有重要的影響。納米材料的穩定性具有重要的課題。界面能，雜質擴散，缺陷都可能影響原子在晶界的輸運。本項目的研究結果對納米材料的製備，促進納米材料的套用具有重要的科學意義。