金屬中氫致空位形成機制研究

《金屬中氫致空位形成機制研究》是依託北京航空航天大學，由呂廣宏擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：金屬中氫致空位形成機制研究
• 依託單位：北京航空航天大學
• 項目負責人：呂廣宏
• 項目類別：面上項目

項目摘要

空位是金屬中常見缺陷之一，與金屬材料結構和性能密切相關。金屬中空位平衡濃度極低，但一些外界因素如高能粒子輻照可導致空位產生。有趣的是實驗中觀測到金屬鎢在極低能量氫輻照下產生了起泡現象，由於氫泡成核與空位緊密相關，可推斷低能輻照下因滯留而存在於鎢體內的氫亦可導致空位產生。該情況下空位產生機製作為一個重要問題尚無研究，亟需解決。本項目以聚變用體心立方鎢基面對電漿材料為主要研究對象，系統研究金屬中氫致空位形成機制。初期研究表明空位形成與鎢中一種自間隙原子團緊密相關。利用自行開發的鎢氫原子間作用勢，採用分子動力學方法模擬在氫存在的情況下鎢中空位形成的條件和過程，考察表面、晶界和雜質如氦等對空位形成的影響；結合第一原理方法與可能的透射電鏡實驗，深入研究自間隙原子團與空位形成的聯繫和規律。並由此進一步研究其它金屬如體心立方金屬鐵和面心立方金屬鎳中氫致空位形成，以期獲得金屬中氫致空位形成的一般規律。

結題摘要

空位是常見於金屬中的一種缺陷，它對金屬材料結構和性能有很大影響。一般情況下，金屬中空位平衡濃度極低，但存在一些外界因素時，空位濃度會較高，如高能粒子輻照產生大量空位。有趣的是實驗中觀測到金屬鎢(W)在極低能量氫輻照下也產生了起泡現象，由於氫泡成核與空位緊密相關，可推斷低能輻照下因滯留而存在於鎢體內的氫亦可導致空位產生。然而，空位產生機製作為一個重要問題尚無研究，亟需解決。針對該問題，本項目的研究思路是從W中氫擴散行為，氫與缺陷相互作用等方面的研究，來探索氫致空位形成機制。採用分子動力學和第一原理方法的模擬研究，揭示了H在W體內及W表面的擴散機制；揭示了W中不同氫濃度條件下氫致空位形成機制，給出了與空位形成相關的自間隙原子團簇結構；弄清了W中空位團簇在H原子的作用下長大的過程，也即氫泡在W中長大的過程；揭示了W近表面層空位的形成機制以及W表面層空位對H的捕獲作用；揭示了空位等缺陷對鎢[100] 傾轉對稱晶界耦合運動的機制，弄清了空位向[100]傾轉對稱晶界偏析的形為。探索H對Frenkel缺陷形成及複合的影響，揭示了H作用下Frenkel缺陷形成與複合機制。更進一步，通過建立熱力學模型定量預測了W中不同溫度和壓強下氫致空位形成氫泡的臨界氫濃度，取得了與實驗相符合的結果，為通過控制 H 濃度對鎢基材料的電漿輻照進行抑制提供了重要的參考。通過本項目的研究揭示了金屬本徵W中、存在不同缺陷（表面，晶界等）體系中的氫致空位形成機制。