惰性气体元素在金属钨中形核和扩散特性的研究

发布时间：2020-06-07 03:03

【摘要】：金属钨由于具有高熔点、高热导、低溅射等特点,因此被认为是目前最有前景的面向等离子体材料。氦、氖和氩惰性气体分别作为聚变产物和冷却剂存在于托卡马克装置中。氦在钨中具有较低的溶解度,通常氦原子在钨基底中的聚集会导致氦泡和孔洞的产生,极大的降低了材料的宏观性能。最近实验研究还发现,在低能氦等离子体辐照下,在钨表面观察到了纳米丝的形成。这种结果严重影响了托卡马克装置安全稳定的运行。氖和氩也是惰性气体原子并且在钨中的溶解度很低。尽管氖和氩有很多性质与氦相同,但是在氖和氩等离子辐照下,金属钨表面并没有观察到纳米结构。氦、氖和氩三种气体辐照对钨表面产生的不同影响引起了人们的关注。因此对比三种惰性气体在金属钨中的行为具有重要意义。为了研究惰性气体原子在钨块体中的行为,我们拟合第一性原理的结果,得到了新的钨原子与氦、氖、氩原子的相互作用势函数。新势采用嵌入原子势的形式,此外,s-band模型被用来描述惰性气体原子与其邻近的钨原子之间的多体相互作用。这些新势很好的重复出了单个点缺陷原子在替位,四面体和八面体间隙位置的形成能以及扩散势垒。这些新势的模拟结果显示,这三种惰性气体原子的四面体间隙位置都比其八面体间隙位置更稳定。基于这些新的经验势,我们还采用分子动力学的方法计算了块体钨中单个X原子(X表示氦、氖或氩)与X。和Xn-V(Xn-Vacancy)团簇的结合能,X。团簇的的扩散势垒,三种惰性气体原子在钨中的成核以及由过压气泡导致的位错换的发射。目前的研究结果表明新势所计算的团簇的结合能与第一性原理的结果符合的很好。团簇的迁移能随着惰性气体的原子半径和团簇的尺寸的增大而增大。三种惰性气体原子在钨基底中都能成泡并发射位错环,只是难易程度不同。
【图文】：

分布情况,间隙原子,空位,球体

逡逑图５．２给出了五个温度下，氮原子在鹤中的成核和王种缺陷团簇的大小和数目逡逑的分布情况。从图５．２可Ｗ看出在４００Ｋ下，体系中所形成的氨团簇的尺寸都很小，逡逑ＷＨｅ２团簇的数目最多。当温度升高到８００Ｋ时，体系中团簇的尺寸和数目的分布逡逑有了明显的变化，小的团簇的数目急剧下降，大团簇的数目有所上升。这主要是逡逑因为小的团簇在鹤基底中的扩散势垒很低，在扩散过程很容易遇到其他氨原子和逡逑氨团簇并结合在一起，形成更大的团簇。在这两个温度下，尽管出现了较大的Ｈｅ逡逑团簇，，但是并没有激发自间隙，因此没有观察到自间隙和空位团簇的形成。随着逡逑温度再进一步的升高，在１２００－２０００Ｋ下，我们观察到了自间隙和空位团簇的形成，逡逑尽管这些团簇的尺寸非常小。图５．３给出了邋ＨＣ４团簇激发自间隙并产生空位的瞬时逡逑原子构型图。我们发现被激发的自间隙原子一般是Ｗ挤列子的形式吸附在氨团簇逡逑的周围。在１６００ＫＷ下时

分布情况,原子数,团簇,体系

图５．５不同温度下缺陷团簇的大小和数目分布情况逡逑巧叫逡逑－
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TL631.24

【参考文献】