【摘 要】
:
能源危机和环境问题是人类可持续发展道路上必须越过的两座大山,能源的未来必须是绿色、环保、可持续的。核聚变能作为一种高效、清洁的能源,具有许多其他新能源,甚至是核裂变能无法比拟的优势。发展核聚变能是目前最有望彻底解决人类未来能源问题的方案。但核聚变能的实现尚面临诸多挑战,如核聚变过程中会释放高通量的中子,同时产生嬗变核素,反应堆结构材料不仅要能承受高温高压,更要具有优异的抗辐照损伤能力,尤其要能抵御
【基金项目】
:
国家自然科学基金(编号:51801166);
论文部分内容阅读
能源危机和环境问题是人类可持续发展道路上必须越过的两座大山,能源的未来必须是绿色、环保、可持续的。核聚变能作为一种高效、清洁的能源,具有许多其他新能源,甚至是核裂变能无法比拟的优势。发展核聚变能是目前最有望彻底解决人类未来能源问题的方案。但核聚变能的实现尚面临诸多挑战,如核聚变过程中会释放高通量的中子,同时产生嬗变核素,反应堆结构材料不仅要能承受高温高压,更要具有优异的抗辐照损伤能力,尤其要能抵御反应产生的嬗变核素氦以及高通量中子冲击所导致的原子离位缺陷的影响,在尽可能长的服役时间内保持材料稳定性。因此,探寻并设计出具有较好的抗辐照损伤性能的结构材料对促进核能的稳步发展起着较为关键的作用。MAX相材料Ti3Si C2除了具备金属和陶瓷的优越特性外,在耐蠕变、抗腐蚀和抗辐照等方面也有优异的表现。但是作为长期服役的聚变堆结构材料,Ti3Si C2的抗辐照性能仍尚待进一步改进提高。在MAX材料中,对M位的原子进行替代,合成新的四元固溶体是一种能增强MAX相材料某种特定性能的有效手段。鉴于锆具有优异的耐高温性能,同时与核反应燃料的相容性较好,将Zr引入Ti3Si C2材料体系,通过固溶体改性可能是提升Ti3Si C2体系高温抗辐照性能的有效途径。鉴于Ti3Si C2体系是由Ti2-C-Ti1-C-Ti2强共价键链与Si弱键合结合而成,特通过基于密度泛函理论的第一性原理方法,分别就Zr在Ti1(2a位)和Ti2(4f位)位替代时,对体系结构和氦行为的影响进行了对比研究。研究结果表明,Zr替代Ti2位引起的晶格膨胀较替代Ti1位时引起的晶格膨胀大。与Zr替代Ti1位相比,Zr替代Ti2位时更显著地降低了He与其周围原子之间的相互作用,He间隙的溶解能下降也更多,He原子的迁移能垒增加更大。因此,相较于Ti1位,Zr替代Ti2位对Ti3Si C2的抗氦辐照性能有更积极的作用。基于以上研究,本文通过第一性原理方法,对(Ti1-xZrx)3Si C2(x=0.02,0.04,0.06,0.09,0.13,0.17)体系中,Zr原子的引入对材料结构、电子特性、氦稳定性和迁移行为的影响规律及其机理进行了系统研究。原子半径较大的Zr原子替代原子半径较小的Ti原子后,(Ti1-xZrx)3Si C2体系发生的晶格膨胀随着Zr浓度增加逐渐显著。在(Ti1-xZrx)3Si C2体系中,He原子优先占据Ti2-Si层的间隙位置。随着Zr浓度的增加,(Ti1-xZrx)3Si C2体系中He原子在各间隙位置的溶解能逐渐降低,迁移能垒逐渐增加,其中Ti2-Si层的间隙He原子的溶解能降低和迁移能垒增加尤为显著。根据电子态密度和电荷密度的分析,随着Zr浓度的增加,He原子与其周围原子的相互作用减弱。此外,通过从头算分子动力学方法对不同Zr浓度下(Ti1-xZrx)3Si C2体系中初级离位原子的离位阈能进行了计算。(Ti1-xZrx)3Si C2体系由Ti2-C-Ti1-C-Ti2共价键链与Si弱键合而成,因此Ti2和Si原子对层状结构具有强依赖性,离位阈能在[0001]方向远大于[2110]方向,而Ti1和C原子对层状结构的依赖性不强,离位阈能在[0001]和[2110]方向上差异相对不大。随着Zr浓度的增加,体系中Ti1、Ti2、Si和C原子的离位阈能均随之增大,且Ti2和Si原子的离位阈能增加更为明显。因此,在Zr浓度为0~0.17的范围内,随着Zr浓度的增加,体系的抗离位损伤性能逐渐提升。
其他文献
场发射冷阴极材料在X射线管、高功率微波等真空微电子器件领域有着重要应用。传统的冷阴极材料存在着开启场高、发射电流密度小、发射稳定性差等问题,并不适合应用在真空微电子领域。金刚石-石墨烯复合材料因其兼具金刚石和石墨烯的优异特性而成为了一类性能优异的场发射阴极材料,因此,探究这种复合材料的生长工艺和机理对提升其场发射性能意义重大。本文采用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术,以液态含氮有机分子为
通过激光惯性约束聚变(ICF)是实现可控核聚变最有希望的方式,可获得清洁高效的能源。其中薄壁聚合物空心微球是ICF物理实验不可或缺的一部分。然而,在制备过程中薄壁微球因其直径/壁厚较大将会引起其在干燥和使用中开裂率增大。因此,薄壁空心微球需要在满足传统ICF靶用微球尺寸单分散性、严苛球形度和表面光洁度等前提下,还应降低其在干燥过程中的开裂率。在本论文中,将研究聚合物原料和填料对薄壁空心微球质量的影
随着核电事业的蓬勃发展,乏燃料后处理过程中产生的高放废液积累量也越来越多,而高放废液具有酸度高、锕系核素难分离等特点,如何高效分离-固化高放废液中锕系核素已成为核能可持续发展的限制条件之一。水合稀土磷酸盐Ln PO4·0.667H2O(Ln=La-Gd)具有优异的结构灵活性和化学稳定性,易在酸性溶液中制备,且通过高温煅烧可转变为独居石矿相。采用水合稀土磷酸盐富集分离-独居石陶瓷固化可安全、高效、经
聚酰亚胺(Polyimide,PI)是综合性能最佳的高分子材料之一,具有优异的热和化学稳定性、高强度、高模量和电绝缘性等,被广泛应用在电气绝缘、航空航天、微电子封装、柔性显示、电致变色、电致发光等领域。近年来,随着便携式电子产品的爆发式增长以及可折叠手机等新型电子产品的问世,传统聚酰亚胺的热和尺寸稳定性、机械性能、介电性能、光学性能和导热性能等已经难以满足微电子封装、柔性显示等相关领域对聚酰亚胺越
橡胶集料混凝土具有优异的抗冻、抗侵蚀和抗冲击性能以及良好的延性,应用前景十分广阔。进一步明确橡胶集料改善混凝土延性的细观机理,掌握不同因素对橡胶集料混凝土力学性能的影响规律,对橡胶集料混凝土的扩大应用有重大意义。本课题从细观尺度出发,建立了橡胶集料混凝土弹性常数预测模型,通过数值模拟研究了单轴压缩荷载、四点弯曲和拉伸断裂荷载下橡胶集料混凝土的损伤破坏过程,进一步阐明了橡胶集料、界面过渡区(ITZ)
近年来,人工智能的应用越来越多,在很大程度上改变了人类的生活方式,同时也对人工智能技术的发展提出了新的要求。目前使用的人工智能工具都是基于传统的冯·诺依曼计算机实现的深度人工神经网络,它的数据处理单元和存储单元在物理上是分离的,数据传输单元是独立的,其运行受到了严重的限制。神经形态计算旨在构建能够模拟人类大脑生物过程的计算机,是实现人工智能的一个有前景的解决方案。忆阻器具有简单的三层结构,高集成度
机场常因积雪结冰延误航班飞行甚至导致空难发生,喷洒除冰液成为目前高效的除冰手段。除冰液的使用会使混凝土冻融破坏程度加剧,且混凝土在商用除冰液作用下的冻融破坏行为研究和破坏机制探索相对较少。因此,研究除冰液对混凝土的冻融破坏行为、探讨劣化机制具有重要意义,为提高高寒地区机场混凝土的使用寿命提供重要支撑。(1)对商用除冰液(乙二醇类FCY-1A、DM-002;甲酸钾NW-059)与水的结冰特性进行测定
高聚物黏结炸药(polymer bonded explosives,PBX)是混合炸药的一种,可看作以高能炸药晶体为主体,加入高聚物黏结剂制成的复合材料,在武器杀伤、工业爆破中有广泛应用。PBX用作核武器用主装药时,常以奥克托今(HMX)和三氨基三硝基苯(TATB)作为炸药晶体,其含量在80%以上。在生产、加工、运输、贮存等过程中,PBX会经历复杂的温度和力学环境,从而产生孔洞、微裂纹等多种形式的
随着柔性电子设备的迅猛发展,传统超级电容器因为体积粗大笨重等原因不能满足使用需求,这使柔性超级电容器的开发成为必须的选项。碳布(CC)因其高的导电性、高强度和良好的柔韧性是理想的候选材料,然而,CC低的电势窗口和相对较低的比表面积,致使其制成的器件能量密度不高,因此有必要通过表面改性的技术手段,改善基于CC的柔性超级电容器的综合性能。(1)使用热丝化学气相沉积技术,在CC表面制备BDD涂层,重点研
层状结构含能材料因其高比表面积结构使得其具有能量释放速率高、燃烧效率大等优点,而且可产生增面燃烧,以及通过层间滑移降低感度,具有突出的应用前景。作为一种综合性能优异的单质炸药,1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)由于其特殊的对称分子结构和波形π堆积的层状晶体结构,可制备成性能优良的层状结构炸药。因此,本论文选用FOX-7作为研究目标,通过溶剂-非溶剂法在不同条件下制备了FOX-7纳米片