【摘 要】
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材料中各种结构缺陷及引起的相应力学性能变化,对其服役性能产生重要影响。本文以铁基材料、石墨和新型碳纳米管复合材料为研究对象,使用分子动力学等计算模拟方法,研究了材料中结构缺陷的形成和演化行为,探讨了结构缺陷对材料力学性能的影响机制。在铁基材料中,由辐照诱导产生的位错环与位错结构对材料力学性能有着重要影响。本工作模拟了体心立方铁晶体中1/2＜111＞间隙子位错环在各种应力条件下的演化,结果表明:（1
【基金项目】
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国家自然科学基金项目:12175125； 国家自然科学基金项目:11675230； 国家自然科学基金项目:11375242；
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材料中各种结构缺陷及引起的相应力学性能变化,对其服役性能产生重要影响。本文以铁基材料、石墨和新型碳纳米管复合材料为研究对象,使用分子动力学等计算模拟方法,研究了材料中结构缺陷的形成和演化行为,探讨了结构缺陷对材料力学性能的影响机制。在铁基材料中,由辐照诱导产生的位错环与位错结构对材料力学性能有着重要影响。本工作模拟了体心立方铁晶体中1/2＜111＞间隙子位错环在各种应力条件下的演化,结果表明:（1）在拉伸作用下,当位错环的尺寸超过一定临界值时,位错环会导致体心立方铁晶体的抗拉伸能力显著减弱,在形成最终的位错网络结构之前,在初始棱柱型位错环的核心区域附近会形成小剪切型位错环结构;（2）在剪切作用下,位错环的惯习面会从{111}面旋转到{100}面以及{112}面,使得棱柱型位错环转变为剪切型位错环,在剪切应力撤去后,惯习面可由{112}恢复为{1 1 1};（3）在扭转作用下,位错环会阻碍和延迟圆柱体形晶体中铁原子的相变,导致圆柱体侧表面上形成微裂纹。以上结果有助于进一步理解间隙原子位错环的性质及其对铁基材料力学性质的影响。在反应堆使用的铁基材料中,因中子辐照产生的氦可与孔洞结合形成氦泡,氦泡对材料中位错运动的阻碍作用,会对材料力学性能造成显著影响。本工作研究了室温下体心立方铁晶体中氦泡的应力状态以及氦泡对刃位错运动的阻碍作用。结果表明:随着He/V 比值的升高,氦泡会依次经历低压-平衡-高压-极高压-过压的应力状态;位错线在与低压或高压氦泡相互作用时,分别可吸收空位与间隙子;极高压氦泡可使位错线发生显著形变;氦泡对刃位错滑移的阻碍作用强度主要受到三种因素的影响:（1）氦泡可能引起的位错线形变;（2）位错线在滑移面上扫过的氦泡区域的面积;（3）氦泡与位错线两侧区域相互作用的差异。以上结果有助于理解体心立方铁材料中氦泡与刃位错的相互作用机制。石墨中辐照缺陷在原子尺度的形成和演化机制仍需进一步进行研究。本工作模拟了氦原子入射引起石墨原子位移级联过程,并分析了结构缺陷对材料力学性质的影响。结果表明:在单次位移级联过程中产生的缺陷结构类型主要为单空位、双空位、间隙子及小缺陷团簇,主要取决于碰撞过程中靶原子获得的能量大小以及初速度方向,而在连续入射过程中会产生跨层大缺陷团簇。缺陷密度与缺陷随深度分布均与入射能直接相关。在退火模拟中,观察到弗伦克尔缺陷愈合或者演化为斯通-斯洛尔-瓦尔斯缺陷、单空位缺陷在基面内迁移和聚集、跨层大缺陷团簇演化为更稳定的结构,这些稳定的跨层缺陷团簇是引起石墨样品弯曲性质变化的重要因素,而单纯的层内缺陷结构对石墨样品的弯曲性质影响较小。对于石墨单晶材料中辐照缺陷的研究,有助于从微观角度理解核石墨的辐照效应,将推动石墨材料的发展与在先进核能技术中的应用。具有良好柔韧性能、热电性能的热电材料的制备技术,对于现代电子技术的发展非常重要。本工作使用第一性原理、分子动力学和从头算分子动力学方法,对新型柔性碳纳米管复合材料进行了计算模拟研究。结果表明:外延纳米晶粒与单壁碳纳米管束表面没有形成化学键,外延晶粒不会因与基底的晶格失配而受到过大应力,因此该外延方法具有通用性;基底对沉积原子的范德华相互作用势场具有周期性空间分布,对外延晶粒的生长方向具有引导作用,使得外延晶粒具有高度定向特性;含有特定晶向的小倾斜角晶界的纳米晶材料具有与单晶接近的优异柔韧性,大倾斜角晶界会显著影响材料的弯曲性能。研究结果为实验方法提供了有力的理论解释和机制分析,为高质量微型柔性热电器件的制备提供了理论支持。
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