【摘 要】
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岩盐结构的ZrC陶瓷具有较高的刚度,是一种可用于核反应堆等各种恶劣环境中的硬质结构材料。ZrC在服役中出色的结构性作用引起人们对其性能、表面等相关问题的密切关注。然而ZrC作为一种非严格化学计量比化合物,其体相中缺陷的形成、分布受温度和压强的影响缺乏系统的研究,与此同时,其表面缺陷的形成与扩散也未得到充分的理解。基于此,本文开展了第一性原理计算,对碳化锆及其缺陷的相关性质进行研究。计算结果有助于Z
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岩盐结构的ZrC陶瓷具有较高的刚度,是一种可用于核反应堆等各种恶劣环境中的硬质结构材料。ZrC在服役中出色的结构性作用引起人们对其性能、表面等相关问题的密切关注。然而ZrC作为一种非严格化学计量比化合物,其体相中缺陷的形成、分布受温度和压强的影响缺乏系统的研究,与此同时,其表面缺陷的形成与扩散也未得到充分的理解。基于此,本文开展了第一性原理计算,对碳化锆及其缺陷的相关性质进行研究。计算结果有助于ZrC材料的设计和缺陷工程在ZrC基材料中的应用,并为ZrC在核反应堆中安全有效的运用提供重要指导。运用准简谐德拜近似,研究了高温高压范围内ZrC的热力学性质以及点缺陷在ZrC中的形成和分布特征,对缺陷的稳定性和浓度做了系统的评估。结果表明,点缺陷的引入通常会降低ZrC的热物理性能,不同点缺陷在温度和压强作用下的形成具有特点并可被分类。在形成数量上,碳空位及其复合体是当中的主要点缺陷。在空间分布上,点缺陷间的累积是有序的,最近邻缺陷对在高压下最稳定。此外,在较低的压强范围内,点缺陷的吉布斯形成能和浓度对压强非常敏感,这为控制ZrC中点缺陷以调控材料性能提供了一种有效的方法。针对ZrC包壳应用中所遇的表面问题,结合现有的理论计算和实验结果,本文对包括表面能量学和表面弛豫在内的表面性质进行了详细描述和比较。其中,三种通用且渐进的方法被用来评估ZrC各低指数表面的表面能。此外,本文还系统地分析了各低指数表面的自吸附趋势,指出了在{100}面上具有相近吸附能的构型的吸附能存在细微差别的原因,发现了表面吸附的主导作用以及{111}面的自发终止倾向。吸附热力学稳定性及吸附原子迁移计算表明,ZrC{100}的生长基于一种团簇主导机制。最后,本文讨论了包括裂变产物Ag在内的单原子缺陷在最稳定{100}面的形成,运用CI-NEB方法模拟并比较了缺陷的横向、纵向扩散过程。结果表明,表面缺陷形成受表面原子排列以及表面应力释放的共同影响,缺陷的横向扩散由表面C亚晶格主导,普遍存在的挤压机制使大原子半径的Zr、Ag原子的纵向渗入概率增加。
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