正电子湮没谱学在金属材料氢/氦行为研究中的应用

用于核反应堆的金属结构材料中氢/氦泡的前躯体——(氢/氦)-空位复合体的形成受到温度、辐照剂量等多方面因素的影响,研究其在材料中的形成和演化行为对气泡形核的理解及先进核反应堆材料的发展起着至关重要的作用.然而,受到分辨率的局限,这种原子尺度的微结构很难用电镜等常规方法进行表征,以致于该问题的研究上可利用的数据相对较少.正电子湮没谱学是一种研究材料中微观缺陷的特色表征方法,近些年来慢正电子束流和新型核探测谱仪技术的不断发展以及基于慢束发展起来的多种实验测试方法的改进,使正电子湮没技术应用已拓展到金属材料中氢/氦行为的研究领域,在金属材料表面氢/氦辐照损伤的研究中发挥了重要作用.本文结合国内外相关进展以及本课题组的一些研究成果评述了正电子湮没谱学在金属材料氢氦行为研究中的应用,着重讨论了正电子湮没寿命谱、多普勒展宽谱、符合多普勒展宽三种测量方法在如下金属材料氢/氦行为研究中的优势:1)氢/氦气泡尺寸和浓度的估算; 2)高能氢/氦离子辐照损伤缺陷及缺陷的退火、时效的演化行为; 3)不同形变程度样品中氢/氦与形变缺陷的相互作用; 4)不同能量或剂量氢/氦离子辐照对材料造成的损伤以及氢氦协同作用.     

烧结Sm2Co17型永磁材料的力学性能及断裂行为的各向异性

对从同一磁体上切取的取向方向不同的三组烧结Sm2Co17试样的抗弯强度进行测定,对其抗弯断口进行宏观观察和扫描电镜观察.对烧结Sm2Co17型永磁材料的力学性能和断裂行为的各向异性进行了研究.研究结果表明:烧结Sm2Co17型永磁材料的抗弯强度和断裂行为具有明显的各向异性,烧结Sm2Co17型永磁材料断裂的微观机制为解理断裂,材料易于沿密排面(0001)面或沿与密排面的夹角大约为60°的晶面解理断裂 关键词： Sm2Co17型永磁 抗弯强度 解理断裂 各向异性     

Ti_3AC_2相(A=Si,Sn,Al,Ge)电子结构、弹性性质的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论平面波赝势法,通过广义梯度近似研究了Ti_3AC_2相(A=Si,Sn,Al,Ge)的相结构、能量、电子结构和弹性性质.首先对六方晶相结构的Ti_3AC_2(A=Si,Sn,Al,Ge)四个相进行几何优化,对其能带结构、总态密度、分态密度和电荷密度分布以及弹性性质进行研究,并计算各相的内聚能与形成能.计算结果表明:Ti_3GeC_2较其他三相稳定,Ti_3AlC_2的形成能最低,说明Ti_3AlC_2较Ti_3SiC_2,Ti_3SnC_2和Ti_3GeC_2更易生成;Ti_3AC_2(A=Si,Sn,Al,Ge)各相在费米能级处的电子态密度较高,材料表现出较强的金属性,同时各相的导电性为各向异性.Ti_3AC_2(A=Si,Sn,Al,Ge)各相的导电性主要由Ti的3d电子决定,A(A=Si,Sn,Al,Ge)的p态电子和C的2p态电子也有少量贡献.决定材料电学性质的主要是Ti的3d,A的P和C的2P态电子的P-d电子轨道杂化,而P-d电子轨道杂化成键则使材料具有比较稳定的结构;对Ti_3AC_2相(A=Si,Sn,Al,Ge)弹性性质的研究表明Ti_3AlC_2的原子间结合力较弱,而Ti_3GeC_2的原子间结合力相对较强,材料的强度较大.     

烧结温度对Ti3SiC2/SiC陶瓷材料性能的影响

以微米级TiC粉和Si粉为主要原料,Al粉为烧结助剂,采用无压烧结工艺制备Ti_3SiC_2/SiC陶瓷材料,研究了烧结温度对陶瓷材料显微结构及力学性能的影响。结果表明,随着烧结温度的升高,Ti_3SiC_2/SiC陶瓷材料的弯曲强度先提高后降低。烧结温度为1 500℃的陶瓷材料力学性能最佳,其密度为 4.88 g/cm~(-3)。     

晶体相场法研究应力状态及晶体取向对微裂纹尖端扩展行为的影响

采用晶体相场模拟研究了单向拉伸作用下初始应力状态、晶体取向角度对单晶材料内部微裂纹尖端扩展行为的影响, 以(111)晶面上的预制中心裂纹为研究对象探讨了微裂纹尖端扩展行为的纳观机理, 结果表明: 微裂纹的扩展行为主要发生在<011>(111)滑移系上, 扩展行为与扩展方向与材料所处的初始应力状态及晶体取向紧密相关. 预拉伸应力状态将首先诱发微裂纹尖端生成滑移位错, 进而导致晶面解理而实现微裂纹尖端沿[011]晶向扩展, 扩展到一定程度后由于位错塞积, 应力集中, 使裂纹扩展方向沿另一滑移方向[101], 并形成锯齿形边缘; 预剪切应力状态下, 微裂纹尖端首先在[101]晶向解理扩展, 并诱发位错产生, 形成空洞聚集型长大的二次裂纹, 形成了明显的剪切带; 预偏变形状态下微裂纹尖端则直接以晶面解理形式[101]在上进行扩展, 直至断裂失效; 微裂纹尖端扩展行为随晶体取向不同而不同, 较小的取向角度会在裂纹尖端形成滑移位错, 诱发空位而形成二次裂纹, 而较大的取向角下的裂纹尖端则以直接解理扩展为主, 扩展方向与拉伸方向几近垂直.     

钢中脆硬粒子裂纹形成机理

钢中的脆硬粒子对钢的解理脆断有直接的影响，解理断裂源大都发生在脆硬粒子上.根据微裂纹形成的热力学模型，利用钢中脆硬粒子开裂时所释放的弹性应变能、位错塞积弹性能，所产生的表面能，对脆硬粒子裂纹形成机理进行分析.模型计算表明，正应力和位错塞积力都是脆硬粒子开裂的必要条件，这与实验事实相符；同时给出脆硬粒子开裂的临界条件计算方法，计算发现，脆硬粒子临界开裂应力不仅取决于脆硬粒子尺寸及表面能，而且与晶粒直径有一定的相关关系，当晶粒直径较小时，这种关系与实验测定的材料解理断裂应力与晶粒尺寸的关系一致，说明整体失稳解 关键词： 解理断裂 裂纹形核 脆硬粒子     

金属材料中氦泡生长的计算机模拟

由中子辐照引起的(n，α)反应会在核反应堆材料中残留—些氦原子。氦为惰性元素，不与其它原子结合，在材料中的溶解度极低，而且原子半径小，因此很容易在材料中迁移。氦原子首先向晶界、位错等缺陷处聚集而形成气泡，氦泡的形成使系统的总能量降低。小的氦泡又通过热运动而融合为更大的氦泡。氦泡的存在对材料性能有相当大的影响，例如它会使材料的脆性增加，严重制约了核反应堆的使用寿命。因此，金属材料中的氦泡生长问题一直受到人们的关注。     

晶粒尺寸对掺氦纳米多晶铁机械性能影响的分子动力学模拟研究

采用分子动力学方法研究了晶粒尺寸对掺氦纳米多晶铁机械性能的影响.在拉伸形变过程中,纳米多晶铁将产生裂纹与晶格畸变,通过模拟XRD谱探索二者之间的联系.拉伸模拟结果显示,由于晶界氦原子的引入,峰值应力将显著减小.另外,在拉伸模拟中观察到,沿晶裂纹的产生与长大随着晶界氦原子的引入而增强.研究结果表明,晶界氦原子能够促进沿晶...     

α-Fe中氦泡阻碍位错移动硬化的分子动力学研究

基于周期性位错阵列模型,利用分子动力学方法,研究了α-Fe中1/2a0111{110}刃位错与3nm氦泡的相互作用导致硬化的过程,重点研究了不同温度下(300 K和623 K),氦空位比例对位错与3 nm氦泡作用机制影响的差异性.研究结果表明,当氦空位比例在0～1之间变化时,氦空位比例的变化对临界剪切应力的影响微弱,当氦空位比例在1～1.5之间变化时,氦泡内氦原子的数量的增加,临界剪切应力随之降低.氦空位比例升高至1.75时,高温623 K与室温相比,临界剪切应力反常升高,原因是高温引起的位错与氦泡的排斥机制:氦泡严重超压,与位错接触瞬间,沿位错拉伸侧踢出自间隙原子团簇,被位错吸收后产生割阶;由于位错割阶与超压氦泡同为压应力场,割阶被氦泡强烈排斥反弹.     

金属钨中氦行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了氦在金属钨中的扩散聚集行为. 首先,建立了氦与钨原子间相互作用势,短程部分采用ZBL势形式,长程部分采用从头算法数据,实现了两者之间的平滑连接. 通过计算氦在钨中不同间隙位的形成能发现,单个氦原子更易存在于金属钨中的四面体间隙位,这与最新的研究成果是一致的. 在400-1200 K的温度范围内,考察了氦原子在金属钨中的扩散行为,获得了扩散迁移能,其值介于实验值和从头算法结果之间. 最后,研究了氦的聚集行为,从能量的角度考察了氦团簇形成初期的生长机理. 研究发现,在氦团簇形成初期,氦团簇对氦的结合能随着氦团簇的生长有逐渐增大的趋势,说明氦团簇吸收氦的能力逐渐增强. 关键词： 氦扩散 氦团簇 辐照损伤 分子动力学模拟     

CuHg_2Ti型Ti_2Cr基合金的电子结构、能隙起源和磁性研究

利用第一性原理计算方法,研究了CuHg2Ti结构下Ti2CrK(K=Sb,Ge,Sn,Sb,Bi)系列合金的电子结构、能隙起源和磁性.研究发现:Ti2CrK(K=Si,Ge)合金是普通半导体材料;Ti2CrK(K=Si,Bi)合金是亚铁磁性半金属材料,其半金属性能隙受到Sb和Bi原子s态的直接影响;Ti2CrSn合金是完全补偿的亚铁磁性半导体.基于Ti2CrSn合金两个自旋方向上的能隙起源不同,通过Si和Ge替换掺杂同族Sn元素调制能隙的宽度,获得了完全补偿亚铁磁性自旋无能隙材料;通过Fe和Mn替换掺杂过渡族Cr元素获得了一系列半金属材料.Ti2Cr1-xFexSn和Ti2Cr1-xMnxSn合金都具有亚铁磁性.所研究的这些半金属性合金的分子磁矩Mtotal与总的价电子数Zt服从Mtotal=Zt-18规则.     

Ti$lt;sub$gt;2$lt;/sub$gt;B$lt;sub$gt;$lt;i$gt;n$lt;/i$gt;$lt;/sub$gt;($lt;i$gt;n$lt;/i$gt;=1–10)团簇的结构与稳定性:基于从头算的研究

采用密度泛函理论中的B3LYP方法, 结合从头算的CCSD(T)方法对Ti₂B_n(n=1–10)团簇的稳定性和电子性质进行了研究. 发现两个Ti原子的掺杂导致B_n团簇结构发生了根本性变化. 随着n的增大, Ti₂B_n团簇结构生长非常规律. 所有的最稳定结构都可看成双锥结构, 并且两个Ti原子处在双锥结构的锥顶. 根据二阶差分能量分析, 得出Ti₂B_n(n=1–10)团簇的幻数是6, 7和8. 进一步分析了团簇的Ti原子解离能、B原子解离能以及团簇的电子亲和势和电离势. 这些能量分析表明Ti₂B₆团簇既有良好的热力学稳定性, 又有良好的动力学稳定性. 应用前线轨道理论, 对Ti原子与B₆之间的成键进行了分析, 了解其稳定性的根源. 关键词： 2B_n团簇')" href="#">Ti₂B_n团簇 稳定性 从头计算 电子结构     

MoO_3/Si界面区钼掺杂非晶氧化硅层形成的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,通过模拟MoO_3/Si界面反应,研究了MoO_x薄膜沉积中原子、分子的吸附、扩散和成核过程,从原子尺度阐明了缓冲层钼掺杂非晶氧化硅(a-SiO_x(Mo))物质的形成和机理.结果表明,在1500 K温度下, MoO_3/Si界面区由Mo, O, Si三种原子混合,可形成新的稳定的物相.热蒸发沉积初始时, MoO_3中的两个O原子和Si成键更加稳定,同时伴随着电子从Si到O的转移,钝化了硅表面的悬挂键. MoO_3中氧空位的形成能小于SiO_2中氧空位的形成能,使得O原子容易从MoO_3中迁移至Si衬底一侧,从而形成氧化硅层;替位缺陷中, Si替位MoO_3中的Mo的形成能远远大于Mo替位SiO_2中的Si的形成能,使得Mo容易掺杂进入氧化硅中.因此,在晶硅(100)面上沉积MoO_3薄膜时, MoO_3中的O原子先与Si成键,形成氧化硅层,随后部分Mo原子替位氧化硅中的Si原子,最终形成含有钼掺杂的非晶氧化硅层.     

A DFT study of Ti3C2O2 MXenes quantum dots supported on single layer graphene: Electronic structure and hydrogen evolution performance

Heterojunction structure has been extensively employed for the design of novel catalysts. In the present study, density functional theory was utilized to investigate the electronic structure and hydrogen evolution performance of Ti₃C₂O₂ MXene quantum dots/graphene (QDs/G) heterostructure. Results show that a slight distortion can be observed in graphene after hybriding with QDs, due to which the electronic structure of QDs have been changed. Associated with such QDs-graphene interaction, the catalytic activity of Ti₃C₂O₂ QDs has been optimized, leading to excellent HER catalytic performance.     

Observation of the flux line lattice in high Tc-superconductor Bi2.2Sr2CaCu2OX and Ti2Ba2CaCu2OX single crystals

The flux-line lattice (FLL) has been observed on the (001) face of high T_c Bi_2.2Sr₂CaCu₂O_X and Ti₂Ba₂CaCu₂O_X single cristals using the technique of decorating the sample with small ferromagnetic particles. Strong pinning of the Abrikosov vortices by plane defects along (100) and (010) planes has been found out on Bi_2.2Sr₂CaCu₂O_X. The triangular FLL with a long-range order has been observed on the perfect Ti₂Ba₂CaCu₂O_X single crystal. The penetration depth for a magnetic field parallel to (001) axis has been evaluated as ≤0.2μm at 4.2K for both materials.     

The stability of SiC coating and SiO2/SiC multilayer on the surface of graphite for HTGRs at normal service condition

The stability of SiC coating in helium with a low concentration of O₂, CO₂, and H₂O is a key factor for their application in improvement of oxidation resistance of graphite for high temperature gas-cooled reactors (HTGRs). Through thermodynamic analysis, it is found that the influence factor controlling the critical temperature of passive oxidation for SiC is partial pressure of active gas in helium; the critical temperature of passive oxidation for SiC increases with the partial pressure of O₂, CO₂, and H₂O, SiC is prone to undergo active oxidation in He–CO₂ and He–H₂O system. SiO₂/SiC multilayer coating can improve the oxidation resistance of graphite at higher temperature than SiC coating does under normal operation condition for HTGRs.     

Li掺杂对MgH2(001)表面H2分子扩散释放影响的第一性原理研究

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理分别研究了MgH₂(001)表面H原子扩散形成H₂分子释放出去的可能路径及金属Li原子掺杂对其影响. 研究结果表明: 干净MgH₂(001)表面第一层释放H原子形成H₂分子有两种可能路径, 其释放能垒分别为2.29和2.50 eV; 当将Li原子替代Mg原子时, 两种H原子扩散释放路径的能垒分别降到了0.31和0.22 eV, 由此表明Li原子掺杂使MgH₂(001)表面H原子扩散形成H₂释放更加容易.     

EPR, X-ray, and magnetization studies of metastable alloys Ti2Fe, Al40Cu10Mn25Ge25 and Al65Cu20Fe15 as prepared by mechanical alloying

Mechanical alloying (MA) technique has been used to synthesize metastable alloys with nominal compositions Ti₂Fe (MA for 1, 5, and 26 h), Al₆₅Cu₂₀Fe₁₅ (MA for 26 and 34 h) and Al₄₀Cu₁₀Mn₂₅Ge₂₅ (MA for 42 h). These have been studied by EPR, X-ray diffraction, differential thermal analysis (Ti₂Fe only), and magnetization (Ti₂Fe only) techniques. X-ray diffraction provided information on transformation to metastable phases, while the EPR spectra gave insight into inequivalent paramagnetic transition metal sites in the alloys and the temperature variation of magnetic ordering of the samples. Magnetization data on Ti₂Fe system has been interpreted in terms of phase separations within the amorphous phase. It is concluded that MA process significantly influences the magnetic properties of the samples, wherein the duration of MA process plays an important role. The EPR and magnetization data indicate that the disorder of paramagnetic ions within the samples increases with increasing temperature.     

Synthesis and ionic conductivity of new layered perovskite compound, Ag2La2Ti3O10

A new layered perovskite compound, Ag₂La₂Ti₃O₁₀, was synthesized by an ion-exchange reaction of M₂La₂Ti₃O₁₀ (M = Na,K) with a AgNO₃ molten salt. The crystal structure and the ionic conductivity of the ion-exchanged compound were investigated. The ionic conductivities attributed to the interlayer silver ions were observed at high temperatures. The ionic conductivity of Ag₂La₂Ti₃O₁₀ was much higher than that of Na₂La₂Ti₃O₁₀, while the interlayer sodium ions in Na₂La₂Ti₃O₁₀ and silver ions in Ag₂La₂Ti₃O₁₀ have almost the same rock-salt type coordination. The higher conductivity of Ag₂La₂Ti₃O₁₀ is probably due to the higher polarizability of silver ions.     

氦原子2~3S—2~3P精密光谱研究

氦原子是最基本的多电子原子,其精密谱是十分理想的检验多电子量子电动力学计算的平台,同时也是利用原子能级结构测定精细结构常数α的理想体系,还能获得原子核结构信息.本文结合我们团队的工作,综述基于氦原子的少体原子精密光谱研究.其中,主要包括氦原子2~3P_J精细结构分裂,以及2~3S—2~3P跃迁频率测定等研究,并对相关工作的前景进行了展望.