过渡金属碳化物高熵陶瓷组分优化及点缺陷性质原子尺度研究

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随着核能源的发展,对核燃料载体材料提出了更高的要求,传统材料不能满足服役要求,碳化物陶瓷材料及高熵合金具有优异的抗中子辐照性能,在碳化物基础上,引入高熵效应,高熵碳化物陶瓷有望成为新的核燃料载体材料。由于碳化物高熵陶瓷在中子辐照后存在辐射使其表征困难,无法通过实验进行大面积的筛选,另外,碳化物高熵陶瓷刚开始研究不久,对单相形成能力没有规律可寻,因此,需采用模拟计算的方法优化设计过渡金属碳化物高熵陶瓷抗辐照性能及单相形成能力。本文建立28种(Cr、Nb、W、Mo、Ta、Ti、V、Zr八个元素中选取六种元素)六元碳化物高熵陶瓷。采用SQS算法建模方法,基于第一性原理计算方法实现过渡金属碳化物高熵陶瓷材料单相形成能力的预测及抗辐照性能的筛选。通过晶格畸变量与形成焓大小预测高熵陶瓷单相形成能力,通过缺陷形成能及迁移能筛选碳化物高熵陶瓷的抗辐照性能。基于第一性原理计算碳化物高熵陶瓷体系单相形成能力发现:(Cr Mo Nb Ti VW)C6、(Mo Ta Cr Ti VW)C6、(Mo VWTi Nb Ta)C6、(Mo WTi Zr Nb Ta)C6四个体系其晶格畸变量及形成焓小,其单相形成能力好。(Nb Ta Cr Ti VZr)C6、(WCr Ta Ti VZr)C6、(Nb Ta WCr VZr)C6、(Cr Mo Ta VWZr)C6晶格畸变量及形成焓大,单相形成能力差。随着Cr含量的增加,(Nb Ta Cr Ti VZr)C6、(Cr Mo Nb Ti VW)C6、(Nb Ta Ti WCr Zr)C6三者的形成焓及晶格畸变量均明显地增大,其单相形成能力降低。TM-C键分布趋于一致时,其高熵陶瓷单相形成能力强。基于第一性原理计算碳化物高熵陶瓷的抗辐照性能发现:(Cr Nb Ta Ti VZr)C6,(Cr Mo Nb Ti VW)C6,(Nb Ta Ti WCr Zr)C6碳空位处于不同位置时的空位形成能,当碳空位周围的金属原子Ti、Zr、Nb占据主导地位时,其碳空位形成能都为正值,不易形成碳空位,抗辐照性能较好。当碳空位周围Cr、Mo、Ta、V、W原子占据主导地位时,其碳空位形成一般为负值,抗辐照性能较差。高熵陶瓷的空位形成能与晶格畸变正相关,晶格畸变大的四个体系(Nb Ta Cr Ti VZr)C6、(WCr Ta Ti VZr)C6、(Nb Ta WCr VZr)C6、(Cr Mo Ta VWZr)C6双碳空位形成能明显地比晶格畸变最小的四个体系(Cr Mo Nb Ti VW)C6、(Mo Ta Cr Ti VW)C6、(Mo VWTi Nb Ta)C6、(Mo WTi Zr Nb Ta)C6双碳空位形成能大,晶格畸变大的体系不容易碳空位,对于金属原子空位形成能,这种趋势更为明显,金属空位形成能对晶格畸变程度更为敏感。(CrMoNbTiVW)C6中空位与两种间隙原子之间相互作用能均为负值,表明空位与间隙原子是相互吸引的,有利于缺陷对的复合,而部分单组元碳化物其相互作用能为正值,是相互排斥的,不利于空位与间隙原子的复合,从此方面考虑,(Cr Mo Nb Ti VW)C6的抗辐照性能较好于部分单组元碳化物。与单组元碳化物相比,高熵陶瓷体系中的金属Cr、Mo、W空位迁移能变大,其他金属空位迁移能与单组元金属空位迁移能相当,对于碳空位迁移能也有相似的规律。
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