碳化物弥散钨合金的界面与杂质偏聚性质的理论研究

发布时间：2023-04-28 14:25

　　钨及其合金是未来聚变堆最有前景的面向等离子体材料。由于纯钨自身存在低温脆性、辐照脆性等缺点,因此,近年来实验上通过添加第二相碳化物颗粒形成的弥散强化钨合金成为人们关注的热点。其中,钨合金中碳化物与基体的界面在提高其力学与抗辐照损伤等综合性能中起着关键作用。此外,在实验制备或服役过程中引入的杂质(O、N、H、He等)易在界面处聚集,从而导致材料综合性能的降低。因此,本论文基于第一性原理方法,研究了碳化物弥散强化钨中的典型界面(如W-ZrC、W-TiC、W-TaC、W-ZrO2等)的稳定性、结合强度、电子结构以及杂质的偏聚与扩散行为,为理解碳化物弥散强化钨材料的界面性质以及杂质偏聚行为以及进一步提升钨基材料的综合性能提供了科学依据。首先,根据W和ZrC的晶格常数和取向关系,构建并研究了 12种不同的类块体W-ZrC界面的稳定性和综合性能。研究发现:以C为终端的ZrC(111)/W(110)界面的结合强度最强,而ZrC(200)C/W(100)共格界面的界面能最小,界面最稳定。电子结构显示界面处的W原子转移电荷给C原子;界面处C-W键主要是C-2p和W-5d杂化形成的共价键。杂质H和He原子...

【文章页数】：113 页

【学位级别】：博士

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摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 引言
    1.2 第一壁材料的研究
        1.2.1 铍的研究
        1.2.2 碳基材料的研究
        1.2.3 W的第一壁材料研究
        1.2.4 W合金的第一壁材料研究
    1.3 本文的主要研究内容
第二章 第一性原理计算方法
    2.1 密度泛函理论
        2.1.1 Hohenberg-Kohn定理
        2.1.2 Kohn-Sham方程
        2.1.3 交换关联泛函
    2.2 赝势和投影缀加波方法
    2.3 自洽方法
    2.4 结构优化方法
        2.4.1 Hellmann-Feynman力
        2.4.2 共轭梯度法
    2.5 NEB
    2.6 表面能、界面能和粘附功
    2.7 界面模型的构建
第三章 W-ZrC界面稳定性与H、He扩散的研究
    3.1 研究背景
    3.2 计算方法
    3.3 结果和讨论
        3.3.1 块体和表面性质
        3.3.2 界面模型和界面的稳定性
        3.3.3 H和He在界面的偏析和迁移
    3.4 本章小结
第四章 碳化物弥散和杂质对钨合金界面性能影响的研究
    4.1 研究背景
    4.2 计算方法
    4.3 结果
        4.3.1 界面能
        4.3.2 拉伸应力计算
        4.3.3 界面对轻的元素的捕获
    4.4 讨论
        4.4.1 界面结构和临界半径
        4.4.2 理论研究与辐照实验对比
    4.5 本章小结
第五章 ZrO₂(001)/W(001)界面性质的研究
    5.1 研究背景
    5.2 计算方法
    5.3 结果讨论
        5.3.1 块体和表面性质
        5.3.2 界面模型和界面能
        5.3.3 界面分离功
        5.3.4 拉伸应力计算
        5.3.5 电子结构
    5.4 本章小结
第六章 全文总结
参考文献
致谢
已发表学术论文



本文编号：3803966