合肥研究院納米晶金屬材料鎢和鐵抗輻照性能計(jì)算模擬研究獲進(jìn)展
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近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所科研人員與合肥研究院等離子體物理研究所、中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所科研人員合作，在納米晶金屬材料鎢和鐵抗輻照性能計(jì)算模擬研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在聚變領(lǐng)域期刊《核聚變》（Nuclear Fusion）和核材料領(lǐng)域期刊《核材料》（Journal of Nuclear Materials）上。
鎢及其合金中的輻照損傷問(wèn)題是聚變研究中的重要問(wèn)題之一。輻照誘導(dǎo)的微觀缺陷不僅會(huì)使材料性能降級(jí)，還會(huì)改變H/He在基體材料中的滯留等行為。近年來(lái)的研究表明，納米晶和納米級(jí)氧化物彌散增強(qiáng)的材料通常能降低輻照缺陷在基體中的累積，從而表現(xiàn)出較佳的抗輻照損傷性能。然而，其微觀機(jī)制尚不清楚。合肥研究院固體所研究人員使用分子動(dòng)力學(xué)和靜態(tài)計(jì)算方法，考察了晶界在修復(fù)納米結(jié)構(gòu)鎢中輻照損傷方面扮演的能量學(xué)和動(dòng)力學(xué)角色。研究發(fā)現(xiàn)，在輻照過(guò)程中，相對(duì)于空位而言，間隙原子被晶界優(yōu)先吸收，從而在級(jí)聯(lián)碰撞冷卻后形成晶界附近富含空位而晶界內(nèi)部間隙高度局域的缺陷結(jié)構(gòu)。晶界通過(guò)降低其附近空位/間隙的形成能和擴(kuò)散能壘而作為缺陷阱，特別是間隙在晶界附近不需要克服能壘即可遷入晶界。優(yōu)先進(jìn)入晶界內(nèi)的間隙可與附近的空位以低能壘、多原子協(xié)同參與的方式復(fù)合（圖1）。同時(shí)研究人員發(fā)現(xiàn)，晶界增強(qiáng)空位擴(kuò)散、復(fù)合的區(qū)域較為有限（1-1.5納米），使得該區(qū)域體積分?jǐn)?shù)較�。◣讉�(gè)百分點(diǎn)）。這表明實(shí)驗(yàn)上提高鎢基材料抗輻照性能的兩種途徑——細(xì)化鎢晶粒和加入納米小顆�！笳呖赡芨鼮橛行�。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《核聚變》（Nuclear Fusion, 2013, 53, 123014）雜志上。
針對(duì)候選結(jié)構(gòu)材料——鐵素體/馬氏體鋼的輻照損傷問(wèn)題，科研人員使用分子動(dòng)力學(xué)、靜態(tài)計(jì)算和溫度加速的動(dòng)力學(xué)方法，考察了晶界附近小型空位團(tuán)簇的能量學(xué)和動(dòng)力學(xué)行為。研究表明：晶界除了作為點(diǎn)缺陷（空位和間隙）的阱外，還可以作為小型空位團(tuán)簇（所含空位數(shù)1-9）的阱�？瘴粓F(tuán)簇在晶界附近具有較高的活性。其經(jīng)過(guò)塊體擴(kuò)散、局部吸收和局部沿晶擴(kuò)散過(guò)程而被晶界吸收。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《核材料》（Journal of Nuclear Materials, 2013, 440, 250-256）雜志上。
為了深入考察晶界對(duì)輻照缺陷產(chǎn)生和演化的影響，科研人員使用靜態(tài)計(jì)算系統(tǒng)考察了鎢、鉬、鐵等金屬中部分晶界附近空位/間隙的擴(kuò)散復(fù)合問(wèn)題，獲得了晶界與缺陷作用的一系列參數(shù)：缺陷形成能，偏聚能，擴(kuò)散-復(fù)合能壘，以及相應(yīng)的作用范圍。這些參數(shù)為分析材料的抗輻照性能和設(shè)計(jì)新的高性能抗輻照材料提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《核材料》（Journal of Nuclear Materials, 2014, 444, 229-236）雜志上。文章發(fā)表后受到國(guó)內(nèi)外同行們的關(guān)注。
上述研究工作得到科技部國(guó)家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中國(guó)科學(xué)院相關(guān)項(xiàng)目的支持。
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