金屬釩塊體中和表面上雜質(zhì)原子的占位與擴散特性研究.pdf

1、釩基合金具有良好的低活化特性和耐高溫特性等優(yōu)點,可應用于未來核聚變堆中第一壁結(jié)構(gòu)材料。在高能輻照下,第一壁材料內(nèi)部會產(chǎn)生大量的空位和自間隙等本征缺陷,聚變反應的反應物H和嬗變產(chǎn)物He等元素也會進入第一壁材料之中。在釩合金在制造過程中,微量元素(如C、N和O等)也會滲入到這些材料之中。這些缺陷和雜質(zhì)會誘使這些材料發(fā)生脆化從而縮短了使用壽命。本文應用第一性原理方法研究了金屬釩塊體中本征缺陷的穩(wěn)定性、上述五種雜質(zhì)原子在金屬釩塊體及表面上的占位

2、和擴散行為。
　　(1)從能量的角度研究了釩塊體中十種典型本征缺陷的占位構(gòu)型及其穩(wěn)定性。金屬釩中的單空位構(gòu)型的形成能最低,體系最穩(wěn)定;<111>方向dumbbell自間隙構(gòu)型的形成能僅高于單空位構(gòu)型的情況,則是第二穩(wěn)定的構(gòu)型;而三種雙空位構(gòu)型的形成能都比較高,其中<110>方向的雙空位構(gòu)型的形成能為4.84eV,是最不穩(wěn)定的構(gòu)型。
　　(2)從形成能、電荷密度、態(tài)密度和Bader電荷等四個方面研究了單個H、He、C、N和O原

3、子在金屬釩塊體中三種不同占位下的穩(wěn)定性機制。雜質(zhì)與金屬釩構(gòu)成的總體系的形成能越低,雜質(zhì)原子與最近鄰釩原子之間的價電荷密度越高、雜質(zhì)原子與最近鄰釩原子的價態(tài)密度重疊現(xiàn)象越明顯、雜質(zhì)原子的總態(tài)密度在費米能級處的值越低以及雜質(zhì)原子的Bader電荷值也越低,該體系就越穩(wěn)定。所以,H和He在四面體間隙位置穩(wěn)定,C、N和O在八面體間隙位置最穩(wěn)定。此外,本文利用CINEB方法研究了這些雜質(zhì)原子在金屬釩塊體中的擴散,結(jié)果表明H和He比C、N和O更容易在

4、金屬釩中擴散,其中H的擴散系數(shù)最大而N的最小。
　　(3)從形成能、態(tài)密度以及Bader電荷等三個角度研究了單個雜質(zhì)原子在金屬釩表面上的擇優(yōu)占位,并結(jié)合CINEB方法研究了這些雜質(zhì)在金屬釩表面上及次表面間的擴散行為。閉殼層結(jié)構(gòu)的He經(jīng)弛豫后進入真空層。H、C、N和O在金屬釩表面上的hollow位最穩(wěn)定,H沿hollow-bridge-hollow路徑的擴散勢壘最低。TIS1是表面與次表面的中間位置,H、C、N和O在弛豫后的TIS1