贮氚材料中,由于氚核自然衰变产生的He不溶于材料基体,He原子容易通过聚集而成泡,最终引起He的释放,从而破坏了晶体的结构,导致材料宏观性能的下降,并诱发材料使用性能的下降。因此,建立一套表征材料固氦属性方法来优选性能优异的贮氚材料是推进核聚变技术应用的关键之一。要表征材料固氦属性,就必须要弄清楚材料中He的释放机理,这就要求对材料中He的存在形态及其演化行为进行系统而深入的研究。利用实验手段很难在原子尺度跟踪He原子或He泡的扩散和演变过程,也不能直接观察或据此推测其扩散和演变机制,也就难以完整描述材料中He的扩散聚集和He泡形成及演变规律。计算机模拟是一种能有效研究材料中He行为的方法,能弥补实验的缺陷,从微观尺度探测He的演化行为。本文选取几种典型的金属及合金(如Pd,Zr,Ti和ZrV2等)作为研究对象,结合分子动力学方法和改进分析型嵌入原子模型研究了晶体中He的各种行为。结合实验结果,建立了一套有效的量化评价方法来表征材料的固氦属性,为He问题的研究打下了基础,并为贮氚材料的选材提供了理论依据。通过对几种典型金属及合金中单个间隙He原子热扩散性质的模拟研究,发现He原子的扩散性质与实验测得的材料固氦能力有关联,即He原子在材料中的扩散越弱,材料的固氦属性就越强。因此,通过计算材料中He原子的间隙扩散性质,可以初步评估材料的固氦属性。通过对原子进行跟踪,发现材料中He泡的形核是金属原子的离位和He与空位结合成团共同作用的结果。在不存在离位损伤的情况下,间隙He原子通过与自间隙发射所产生的空位结合形成一系列He-空位团簇,并通过不断吸收附近的He原子或空位,以及通过团簇间的相互合并,排挤出团簇内部的金属原子,最终形成He泡。体系温度的升高可在一定程度加速He泡的形核过程。He泡形成后,将通过吸收He原子等逐渐长大。通过对晶体Pd和LaNi5中He泡合并长大过程的模拟,发现泡间距离是He泡合并发生的关键因子。在晶体内,存在某一临界距离,当He泡间的距离小于临界距离时,He泡间能通过相互作用最终合并,促进He泡的长大。若He泡间的距离大于临界距离,He泡间合并难以发生。温度的升高能有效加速He泡合并,且He泡合并临界距离随系统温度的升高而增加。在金属晶体近表面区域存在一个“逃逸区”,一旦He泡进入这个区域,He泡迅速向晶体表面膨胀直至破裂,He原子通过不断排挤金属原子形成一条通向表面的通道,He泡中大量的He原子沿着这条通道扩散至材料表面,最终释放,仅有少量He原子滞留在晶体内。He的释放是一个瞬时过程,大量的He原子通过在表面形成的孔洞如火山喷发似的释放出来。通过对He释放行为进行微观机制分析,发现He泡释放“逃逸区”的厚度与材料表面张力强度密切相关。随着材料中He浓度的不断升高,金属及合金中He的释放大致经历初期释放和加速释放两个阶段。在He初期释放阶段,仅有少量表面区域的He原子及小He泡或团簇从晶体表面中释放。随着浓度的增加,晶体内部He泡相互连通并逐渐合并,从而形成相互连通的通道网络。当He浓度超过临界释放浓度时,He释放突然加速,晶体内大量的He原子通过连通网络从表面最终释放。这些过程与金属及合金中He原子及He团簇的扩散和迁移密切相关,基于此建立了He加速释放临界浓度与He原子扩散系数之间的量化关系以预测材料的固氦属性。通过对金属Pd纳米丝的研究,发现He泡的存在对纳米丝力学性质有着重要影响。He泡通过有效抑制金属原子的相对运动,从而抑制纳米丝中滑移面的出现,造成纳米丝延展性能的降低。随着He泡尺寸的增加,抑制作用更明显,从而加速纳米丝的断裂。He释放产生大量的孔洞等缺陷,对材料力学性质也有重要作用。研究表明在拉伸作用下Pd纳米丝首先发生孔洞的填充。随着应变的增加,纳米丝中孔洞尺寸不同对其力学性能的影响不同。若孔洞较小,纳米丝的拉伸行为与完整Pd纳米丝基本相同；孔洞增加到一定尺寸后,能有效抑制层错的滑移,从而加速纳米丝的断裂。对于不同结构金属纳米丝,其形变机制是不同的。V纳米丝在拉伸作用下,主要以孪晶形式发生形变。通过研究含孔洞V纳米丝的拉伸性质,发现孔洞并不发生原子填充。孔洞通过抑制纳米丝中孪晶形变的发生和扩展,加速了纳米丝的断裂。随着孔洞尺寸的增加,孔洞附近区域在拉伸过程中由孪晶形变逐渐向结构无序化转变。通过对以上内容的研究,对材料中He行为有了比较深入的了解,为评估材料固氦属性和优选性能优异的贮氚材料提供了理论依据。