雜質(zhì)原子H-He-C-N-O在金屬釩及其合金中行為的第一性原理研究.pdf

1、能源短缺是制約人類社會發(fā)展的最重要因素之一，尋找新型替代能源是當前的主要任務(wù)。核聚變能由于其清潔、安全等優(yōu)點成為將來最可能的替代能源。在聚變反應(yīng)中，結(jié)構(gòu)材料選擇尤為關(guān)鍵。氘-氚聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子輻照轟擊結(jié)構(gòu)材料發(fā)生嬗變反應(yīng)，產(chǎn)生大量的氫(H)和氦(He)等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)嚴重影響材料的結(jié)構(gòu)，導致其物理、化學性質(zhì)發(fā)生變化，并影響其使用壽命。釩(Ⅴ)作為典型的低活化金屬，是核聚變裝置中結(jié)構(gòu)材料的候選者。實驗表明，H、He、C、N以及O等雜

2、質(zhì)會對V的性能產(chǎn)生極大的影響，為了提高V在高溫、高輻射下的性能，通過添加合金化元素鈦(Ti)和鉻(Cr)可以明顯改善其性能。因此，研究嬗變產(chǎn)物和雜質(zhì)以及合金化元素Ti和Cr對V的結(jié)構(gòu)和性能的影響對于結(jié)構(gòu)材料的選擇具有重要的意義。在本文中，我們應(yīng)用第一性原理方法，系統(tǒng)研究了嬗變產(chǎn)物(H，He)和外來雜質(zhì)(C，N)在V中的行為;合金化元素Ti和Cr對其在V中溶解性能的影響以及雜質(zhì)C對N/He/O在V中行為的影響。
　　我們研究了合金化

3、元素Ti對V中H/He行為的影響。結(jié)果表明:(i)在無缺陷V-Ti合金中，單個H原子易于占據(jù)T-site;(ii)H原子傾向于在空位聚集，且單個空位能夠捕獲3個H原子;(iii) Ti的出現(xiàn)可以增大H在V中的形成能，從而減少空位對H的捕獲數(shù)量，即添加合金化元素Ti可以抑制H在V中的溶解，從而可以提高V作為結(jié)構(gòu)材料的性能;(iv) Ti的存在增加本征V中He團簇以及He與空位之間的形成能，表明Ti能夠抑制He自身以及在空位中聚集成泡;(v

4、)在合金化元素Ti附近，He與Hen-1-vacm小團簇之間存在吸引力，對于給定的m值，間隙位He原子與小團簇之間的相互作用隨He原子數(shù)目的增加而減小;對于給定的n值，間隙位He原子與小團簇之間的相互作用隨著空位數(shù)目的增多而變大，這表明Hen-vacm團簇附近的應(yīng)力來源于多個He原子的聚集。
　　我們研究了V中雜質(zhì)C的存在對N、He和O雜質(zhì)行為的影響。雜質(zhì)C和N傾向占據(jù)O-site;相比之下，雜質(zhì)N的形成能更低一些。對于2個雜質(zhì)原

5、子的情況，C-C、C-N和N-N分別占據(jù)兩個相鄰的O-site并沿著<111>方向成對。存在空位時，雜質(zhì)C和N原子均不占據(jù)空位中心，而是傾向于占據(jù)空位附近的O-site，原因在于雜質(zhì)原子易與基體V原子形成碳化釩或氮化釩。
　　當V中雜質(zhì)C和He同時存在時，C-He之間的距離為2.39(A)時溶解能最低，為3.05 eV;當C-He之間的距離小于2.39(A)時，C-He之間存在排斥作用，使得He原子趨向于遠離C原子。當V中存在空位

6、時，C-vac小團簇易于俘獲He原子形成C-vac-Hen團簇，其中第一個He原子最穩(wěn)定的位置距離空位0.92(A)。隨著He原子數(shù)目的增加，C-vac-Hen團簇局部應(yīng)力增加將擠走附近的V原子，形成一個弗蘭克爾(Frankel)缺陷對并釋放應(yīng)力，從而能夠俘獲更多的He原子形成更大的C-vac-Hen團簇。當V中存在空位時，單個空位最多能容納2個O原子，最穩(wěn)定的構(gòu)型為2個O原子分別位于兩個近鄰的O-site附近（距離空位中心約1.37(

7、A)），它們沿著<100>方向排列。當雜質(zhì)C原子存在時，vac+C小團簇對O原子的俘獲能為-0.899 eV，低于單個空位對O的俘獲能。
　　最后我們研究了V-Cr二元合金中合金化元素Cr對H/He穩(wěn)定性的影響。合金化元素Cr的存在可以增加H和He在V中的溶解能。當V-Cr合金中存在空位缺陷時，單空位最多可以捕獲4個H原子;而在本征V中，單空位可以捕獲6個H原子;當V-Cr合金中存在空位缺陷時，He原子傾向于占據(jù)Cr附近的O-si