稀土金属及其氢（氚）化物有关材料性能的研究

稀土金属及其氢 氚 化物有关材料性能的研究稀土金属及其氢 氚 化物有关材料性能的研究 稀土金属及其氢 氚 化物有关材料性能的研究目前能源缺乏以及 环境污染等问题 越来越突出 氚是未来清洁能源聚变能的重要燃料 也是中子发生器的关键氚靶材 料 由于中子发生器里用氚 核聚变燃料用氚等需求出现 获得高性能储 氢 氚 材料已迫在眉捷 储氢材料中氢的同位素氚可以衰变为氦 氦在材料中聚集成泡 对材 料的力学性能以及氚到表面的扩散等都有明显的影响 本论文以稀土金属钪 铒和钇为代表 运用第一性原理和分子动力学 方法研究稀土金属 稀土金属 氢 稀土金属 氦体系的结构性质 力学性质以及缺陷性质等 主要研究内容及结论概括如下 1 采用第一性原理方法研究了六角密 堆 hcp 结构MAx M Sc Er A H He 的弹性性质 其中x 0 0 0313 0 125 0 25 分别讨论了体系中不同浓度的氢和氦对a ScAx A H He 和a ErAx A H He 体系的弹性性质的影响 计算结果表明 a ScHx体系的弹性常数和弹性模量基本上随氢浓度增加而增大 与实验 测量得到的结果一致 对a ScHex来说 其弹性常数和弹性模量随氦浓度增加几乎都是变小的趋 势 a相铒 氢体系晶体的弹性常数 体弹模量 剪切模量 杨氏模量基本上随 着晶体中氢的浓度增加而增加 然而 铒 氦体系的弹性常数 体弹模量 剪切模量和杨氏模量几乎随着氦浓 度的增加而降低 我们从电荷转移方面分析了H或He与Sc或Er的相互作用 发现a ErAx A H He 和a ScAx A H He 的弹性性质随H或He浓度的变化机制相似 2 采用基于密度泛函理论 DFT 的第一性原理方法计算了He原子浓度 逐渐增加时 MH2 xHex M Er Sc 体系的弹性常数 杨氏模量 体弹模量和剪切模量 其中x的取值为x 0 0 0313 0 0625 0 0938 0 125 0 1563 0 1875 结果发现 MH2 xHex M Er Sc 体系的杨氏模量 体弹模量和剪切模量随He浓度 x 的增加呈现两种不同的变化机制 x在0 0 13的范围 弹性模量随x值 的增大而平缓降低 当x 0 13 MH2 xHex M Er Sc 体系杨氏模量 体弹模量和剪切模量的降低加剧 这与实验测量得到的结论一致 我们发现不同的He浓度引起 MH2 xHex体系中He原子和近邻金属原子之间不同的相互作用是导致这种 机制出现的关键原因 当He的浓度足够高时 He团足够大 导致金属氢化物力学性能加剧降 低 3 我们采用基于DFT的第一性原理方法 研究了H和He在hcp结构Sc和E r的 1121 晶界附近的行为 首先我们计算了 1121 晶界的晶界能 然后计算了四面体间隙H和He原子的形成能 八面体间隙H和He原子的形成能以及氦 空位团的形成能 研究表明 由于同为hcp结构晶体 并且化学性质相近 Sc和Er中 1121 晶界表现出相似的性质 靠近 1121 晶界面的四面体间隙h原子 八面体间隙h原子和四面体间隙h e原子的形成能明显地增加 然而在晶界面附近的八面体间隙he原子 的形成能由于晶界的影响而降低 我们计算了具有代表性的四面体构型和八面体构型的间隙h he原子 及其最近邻sc原子的电子态密度 从电子相互作用方面对上述结果做 了详细的解释 通过分析 我们发现由于晶界的存在导致了间隙原子 h或he 与间隙 原子的最近邻金属原子之间的电子相互作用发生了变化 从而影响晶 界面附近的h和he缺陷的形成能 对hcp结构sc和er中 1121 晶界对空位和氦 空位团稳定性的影响的研究发现 氦 空位团的稳定性依赖于晶体中空位弛豫前后体积变化的绝对值 在晶 界面附近的空位弛豫前后体积变化的绝对值较理想晶体里大 从而导 致氦 空位团的形成能在晶界面附近降低 氦 空位团更稳定 4 利用实验数据和我们的dft计算的数据建立了拟合数据库 然后通 过拟合hcp结构sc的晶格参数 弹性常数 内聚能 结构能差和单空 位形成能等拟合得到适合描述sc sc间相互作用的解析型键序作用势 bop 我们拟合得到的sc sc体系的bop势模型能够比较理想地描述hcp结构sc的结构性质和能 量学性质 它不仅能重现hcp结构sc的晶格参数 弹性常数 内聚能 结构能差 和单空位形成能 更关键的是 目前的bop势模型解决了嵌入原子势模 型 meam 不能描述双空位稳定成键的问题 特别的是 得到的sc sc的bop作用势能够描述结构稳定性 点缺陷性质 热动力学性质等 此外 还拟合得到描述sc h原子间相互作用的bop势 结果表明 我们得到sc h体系的bop势不仅能描述hcp结构sc h体系中h缺陷的性质 还能描述 相sch2的体相性质 5 鉴于he的核外电子的特殊性 he er he h之间的成键相互作用很弱 而bop势要考虑键能以及键角等因素 我们首先基于s band模型和排斥对势 简称多体势 通过拟合单个he缺陷 he团和氦 空位团 nmhv m 0 1 的形成能的dft计算数据 得到了er he的相互作用 结果显示 弛豫后的替代he和六种间隙he缺陷的形成能的多体势计算 结果几乎重现了dft计算数据 计算了额外的he原子与henvm间的结合能 计算表明 he原子与he团 hen 间的结合能随着he团大小的增加而普 遍地升高 此外 er he多体势和dft计算都显示 当henv中的n 1时 he原子与henv间的结 合能基本保持不变值 我们还计算了he原子在两个最稳定的间隙点 t 之间的两种迁移 与dft计算结论一致 多体势计算结果显示在hcp er中的四面体间隙he原子迁移偏爱t1 bt t2路径 此外 利用er he多体势 采用分子动力学方法计算了he在hcp结构er中的成核过程 结果显示 在300k温度下弛豫0 5ns后的he原子没有出现成核现象 然 而当温度升高至600K环境下弛豫0 5ns后 He原子迁移行为活跃 并出 现比较大的氦 空位团 为了测试hcp Er中空位对He团的影响 我们用MD方法模拟了5个空位和22个He原子 在Er中不同温度下的行为 得到了与实验观察一致的结论 hcp Er中的空位担当俘获He的角色 加快He团的形成 最后 结合Er H体系的BOP势参数 采用拟合得到的Er He和H He的多体相互作用 计算ErH2中点缺陷的形成能并且得到了比较理想 的结果 6 利用DFT研究了hcp Y中自间隙原子的性质 H缺陷的性质 He缺陷性质和表面等性质 并 且计算了H缺陷和He缺陷原子以及hcp晶格中它们的近邻原子的电子 态密度 分析了原子间的电子相互作用 计算显示 除了BC构型 其它七种自间隙原子构型都是稳定结构或者 亚稳定结构 BC结构的自间隙原子不稳定 弛豫后转变为BO间隙 hcp结构Y中H原子更愿意占据四面体间隙位置 其次是八面体间隙位 置 替代位H原子的形成能最高 我们发现He原子缺陷更愿