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。