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研究員劉長(zhǎng)松課題組在輻照效應(yīng)模擬軟件開(kāi)發(fā)與納米結(jié)構(gòu)材料輻照損傷自修復(fù)機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展。課題組自主開(kāi)發(fā)了兩套納米結(jié)構(gòu)材料輻照效應(yīng)模擬軟件――“界面與合金元素調(diào)控鎢輻照性能模擬軟件”、“鐵表面溶解腐蝕動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛模擬軟件”。在此基礎(chǔ)上，課題組與合肥研究院等離子體物理研究所、中科院近代物理研究所科研人員合作，在納米結(jié)構(gòu)鎢、鐵基材料輻照損傷自修復(fù)機(jī)理研究方面取得系列進(jìn)展，相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Nuclear Materials 、Nuclear Inst. and Methods in Physics Research B 上，并登記軟件著作權(quán)2項(xiàng)。
鎢在聚變堆服役過(guò)程中會(huì)通過(guò)嬗變產(chǎn)生諸如合金元素錸和鋨等，這些合金元素和輻照缺陷與基體固有缺陷如表面和晶界發(fā)生復(fù)雜相互作用 ，影響鎢輻照損傷性能。據(jù)此，課題組的李祥艷等開(kāi)發(fā)了“界面與合金元素調(diào)控鎢輻照性能模擬軟件”。該軟件可模擬研究純鎢、鎢合金和納米鎢合金中輻照缺陷復(fù)合、合金元素富集的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理，考察鎢輻照損傷性能與合金元素類(lèi)型、濃度和晶粒尺寸的依賴(lài)關(guān)系等。針對(duì)輻照環(huán)境下結(jié)構(gòu)材料鐵表面溶解腐蝕問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了“鐵表面溶解腐蝕動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛模擬軟件”。該軟件可研究輻照與腐蝕協(xié)同效應(yīng)。
核聚變堆中鎢與鐵分別是候選的面向等離子體材料和結(jié)構(gòu)材料。在聚變堆中，這些部件和材料須承受高能聚變中子輻照，產(chǎn)生輻照缺陷。輻照缺陷在基體中擴(kuò)散、聚集、累積，引起材料性能降級(jí)、甚至失效。通過(guò)引入缺陷阱（如晶界）可與輻照缺陷相互作用，使輻照缺陷湮滅。目前有學(xué)者在銅納米晶中提出“自間隙原子發(fā)射”誘導(dǎo)的復(fù)合能夠有效降低納米晶銅中缺陷累積。然而，該機(jī)理是否適用于一般的納米結(jié)構(gòu)材料尚不清楚。
為此，固體所科研人員利用自主開(kāi)發(fā)的上述軟件，模擬分析了納米結(jié)構(gòu)鎢、鐵中自間隙原子發(fā)射誘導(dǎo)的復(fù)合圖像。研究發(fā)現(xiàn)，圍繞自間隙原子形成空位-自間隙自發(fā)復(fù)合區(qū)域，伴隨自間隙局域發(fā)射，復(fù)合區(qū)域向界面周?chē)卣够騻鞑ァＴ谠搮^(qū)域內(nèi)空位-自間隙通過(guò)自發(fā)的間隙發(fā)射而復(fù)合；在此區(qū)域之外，空位或者自間隙需要克服較低的能壘復(fù)合，具體的原子過(guò)程涉及空位擴(kuò)散與間隙發(fā)射的耦合。該研究還進(jìn)一步提出了“發(fā)射阻力”（勢(shì)阱深度除以勢(shì)阱半寬度）表征間隙原子從缺陷阱處發(fā)射的難易程度 ，論證了間隙發(fā)射誘導(dǎo)的復(fù)合機(jī)理的普適性。
該研究得到了國(guó)家磁約束聚變項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
圖1.（a）-（f），“界面與合金元素調(diào)控鎢輻照性能模擬軟件”包含的鎢表面和晶界附近缺陷基本作用過(guò)程；（g），“鐵表面溶解腐蝕動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛模擬軟件”包含的液態(tài)金屬與鐵表面作用基本過(guò)程。
圖2.自間隙原子的局域運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)的復(fù)合區(qū)域的拓展或傳播
圖3.自間隙原子從缺陷阱處發(fā)射誘導(dǎo)的兩種復(fù)合圖像。（a）、（b），自間隙原子從一個(gè)方勢(shì)阱發(fā)射出來(lái)，克服能壘是自間隙原子與缺陷阱的結(jié)合能。（c）、（d），自間隙原子從一個(gè)三角勢(shì)阱發(fā)射出來(lái)，三角勢(shì)阱的斜率是自間隙從缺陷阱向外遷移單位長(zhǎng)度所克服的能壘。
化學(xué)慧納米材料系列產(chǎn)品
