輻照中氫氦致裂紋韌脆轉變的機理研究

《輻照中氫氦致裂紋韌脆轉變的機理研究》是依託復旦大學，由王月霞擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：輻照中氫氦致裂紋韌脆轉變的機理研究
• 外文名：Mechanism of hydrogen-helium induced ductile-brittle transition during irradiation
• 依託單位：復旦大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王月霞

項目摘要

氫、氦導致結構材料的脆性縮短其使用壽命是發展核能始終無法規避的問題。對該問題的研究由來已久。儘管目前已提出多種致脆機理，然而仍沒有得到共識和有效的解決方式。其中較為重要的原因在於：在輻照條件下，氫、氦與基體內移位損傷產生的各種缺陷相互作用形成了尺寸、濃度分布不一的缺陷複合體，這使得基體內的微觀狀態更為複雜，導致材料在力學等方面呈現不穩定性。本課題擬採用蒙特卡洛、分子動力學以及第一性原理在不同層次研究輻照條件下氫脆、氦脆機制。通過裂紋擴展動力學過程，探討缺陷複合體誘發材料韌脆轉變機制。從電子結構出發研究裂紋尖端原子間鍵合特徵，探尋材料脆性斷裂的本質根源。這有助於深入理解材料的致脆機理，並為找到增韌材料的有效辦法或探尋新型抗輻照候選材料提供理論依據。

結題摘要

檢驗輻照條件下氫/氦致材料的脆性變化是全面評估材料在核套用環境中安全服役不可或缺的一環；從電子、原子尺度研究氫/氦致脆的機理本質則為自下而上設計合成高抗輻照損傷性能核材料並最佳化其性能提供了有效途徑。本項目基於密度泛函理論並結合蒙特卡洛方法研究了H/He輻照下從金屬，金屬-陶瓷，到陶瓷材料的結構及物理特性。通過對比氫/氦在不同特性材料中的行為深刻領悟了電子精細結構的變化對材料性能的影響。基於此系列研究，課題組提出了預防氫/氦在材料中聚集長大並致材料脆性的可行性建議及相關的研究手段。研究從聚變堆第一壁材料鎢，具有高溫結構性能MAX相先進材料，同具有低中子俘獲界面高溫結構性能的SiC材料入手並展開，此外又通過范德華力對二維材料光、電性能的調控設計，從精細電子結構上深入探討了：(1) 金屬鎢中驅動氦穩定生長的內稟因素。通過分解He團簇的結合能，利用化學鍵合分析揭示了氦的長大是W-W，W-He以及He-He三種作用協同的必然結果；(2)H/He對材料脆性影響的機制，發現MAX Ti3SiC2陶瓷金屬材料有別於金屬材料具有優異的抗氫脆及抗氦泡增長的獨特性能。此外，研究發現不同於氫在金屬鎢中的被空位捕獲機制（其捕獲能與基體中電荷密度密切相關），在Ti3SiC2中，氫被空位捕獲特徵主要源於基體中電荷空間分布的不均勻性以及基體原子間的電負性差異造成；(3)完成了從2維sp2到3維sp3 Si-C鍵轉化導致SiC系列材料力學性能變化的研究工作。對該類典型的陶瓷材料，研究了H/He在β-SiC中的聚集行為，以及嬗變產物對其理想強度的影響機理，建立了一套成熟的評價其力學性能的計算模型；(4)利用能帶理論通過摻雜或者范德華力調控非金屬元素構成的二維材料的精細能帶結構，從而達到裁剪材料的光、電等特性。該系列研究使項目組成員深刻認識到金屬和非金屬元素成鍵特徵的本徵區別和個性化差異，研究具有一定的廣度，這為在後續的核材料研究中通過摻雜等方式增強抗輻照性能的方案設計提供有效的理論依據和思路。