核电材料在核电技术的发展与应用中具有重要作用,辐照缺陷在核电材料中引起的辐照硬化、辐照脆化、辐照肿胀、辐照蠕变等辐照效应严重影响核能工程的安全性和寿命。辐照氦泡是许多受辐照材料的主要缺陷之一,因此开展金属材料中氦泡缺陷对材料力学性能影响的微观变形机理的研究,是设计研发具有良好力学性能抗辐照材料的基础工作之一,具有重要的科学意义与实际应用价值。本文采用分子模拟方法系统地研究了单晶铜内辐照氦泡的平衡内压及其尺度效应、温度效应和引起的应力场,探究了铜/铌层状材料中氦泡与界面间的相互作用,以及氦泡对铜铌层状材料微观变形过程及其力学性能的影响。主要研究工作及成果如下:系统地考察了氦泡内的氦/空位填充比对氦泡内压的影响,采用最小能量准则与应力平衡准则,提出了确定辐照氦泡平衡内压的方法。研究发现:1)存在一个临界尺度,当氦泡孔径小于该临界尺度时,平衡内压出现反常尺度效应,即当氦泡孔径小于3nm时,平衡内压并不随孔径减小而明显增大,甚至出现减小的异常现象,这一反常尺度效应可以从氦泡-基体界面的多面体特征(几何因素)和氦-铜相互作用势(物理因素)两方面进行诠释。2)与模拟获得的平衡内压值相比,采用Young-Laplace公式获得的理论估算值严重高估了氦泡平衡内压(如孔径为3nm时,误差超过71%),引起的误差随氦泡孔径减小而显著增大。3)依据最小能量准则和应力平衡准则获得的平衡内压吻合较好,体现了两种准则在研究该问题时具有良好的自洽性。系统地研究了氦泡孔径与氦/空位填充比等因素对氦泡在单晶铜内引起残余场的影响,以及辐照氦泡对单晶铜拉伸变形过程的影响。模拟结果表明:1)由于纳米氦泡多面体特性和材料的各向异性,即使在氦泡平衡内压作用下,基体铜材料内仍存在一定的应力分布,该应力体现出显著的局域特征,随着与氦泡中心距离的增加而迅速减小。2)针对分子模拟中热涨落导致应力离散性较大的问题,提出时空均化的后处理方法,得到了近于连续介质意义下的残余应力场,取得较好的效果。3)氦泡周围基体棱、角处存在应力集中现象,其相应的Mises等效应力随氦/空位填充比的增加而显著增加,在拉伸过程中能够作为位错源发射位错,促进材料的塑性变形,材料的屈服应力随着填充比的增大而减小。此外,He/V填充比在氦泡与棱边及自由面的位错源竞争中起重要作用,即当填充比较大时(He/V>1.2),铜-氦界面易作为位错源发射位错。针对铜/铌多层材料,模拟分析了辐照氦泡与铜/铌界面的相互作用、辐照氦泡对界面剪切性能以及对铜/铌材料拉伸性能的影响。研究发现:1)基体能量随氦泡距界面距离的减小而减小,证实了铜/铌界面对氦泡的吸附作用。2)铜/铌多层材料界面的抗剪切强度具有各向异性,过压界面氦泡会导致其界面剪切强度的降低,而平衡界面氦泡对界面剪切性能的影响较小。3)铜/铌多层材料具有很高的拉伸强度,应力应变曲线中存在明显的两个应力峰值,分别对应于铜层位错成核扩展与铌层位错成核扩展两种微观变形机理。过压氦泡可以导致第一个应力峰值的下降,但对第二个峰值(极限应力)与相应的应变影响甚微,表明铜/铌多层具有良好的抗辐照性能。本文定量化的研究结果可为半共格层状微纳米材料的抗辐照设计提供必要的基础参数和指导,所采用的时空平均、位错分析等研究方法可为其它层状抗辐照材料的分子模拟研究提供有益的参考。