第一性原理研究Ti3AlC2中空位和杂质原子(H/He)的稳定性及迁移特性

摘要

纳米层状Ti3AlC2作为一种典型的MAX相材料，由于兼具金属和陶瓷优越性能（例如：高模量高、高熔点、低热膨胀系数、较好的导热性能及抗高温氧化性），有望作为第四代核反应堆包壳或涂层材料的候选材料。众所周知，核反应堆中长期的高温高剂量辐照将会使结构材料产生一系列点缺陷，例如：空位、间隙子、杂质原子，团簇等，最终导致结构材料物理和机械性能改变。本文基于第一性原理方法主要研究了Ti3AlC2中空位、H/He杂质原子及HV/HeV团簇的稳定性和迁移特性。
　　结果发现：在Ti3AlC2中Al空位和C空位最容易形成，而两种不等价的Ti原子均具有较高的形成能。同样，实验结果也证实了MAX相材料在高温下A层原子会选择性的脱落；室温下，Ti3AlC2在氢氟酸作用下Al层原子会被剥落形成二维材料“MXenes”。对于H/He杂质原子，我们研究了四种高对称间隙位，分别为Ihex1、Ihex2、Ioct、Itetra，发现H原子在四种间隙位的形成能都为负值，表明H原子可以自发地占据这四种间隙位；无论是H还是He都倾向于占据Ti-Al层中的八面体间隙位(Ioct)，对应形成能分别为-3.31 eV、2.94 eV。因此，可以说明Ioct是比较稳定的间隙位。HV/HeV团簇的研究发现，相同条件下HV团簇的形成能普遍低于HeV团簇，这表明空位更容易与H原子结合形成团簇。
　　另一方面，为了理解Ti3AlC2中空位和杂质原子微观演化行为，我们利用第一性原理方法研究了它们的迁移机理，发现Ti3AlC2中Al空位迁移所需克服的能垒最低（0.95 eV）；从H/He迁移能垒发现，发现H原子沿[-1,0,0]、[0,1,0]、[0,0,-1]方向的迁移表现出明显的各向异性，而且H原子沿[0,0,-1]方向迁移更喜欢沿路径1→c→5而非直接沿最短路径(1→5)，在He原子的迁移中并未发现这一现象。
　　最后，我们的模拟结果将对Ti3AlC2中氢泡/氦泡的微观演化提供一定的理论帮助和指导。

目录

西北师范大学研究生学位论文作者信息

第一章：引言

1.1 核能及其应用

1.2核反应堆材料及辐照效应

1.3 MAX相材料

1.4本论文主要工作

第二章：理论计算基础和计算方法

2.1第一性原理（First principles）

2.2密度泛函理论（Density Functional Theory）

2.3交换关联泛函

2.4自洽迭代计算

2.5赝势平面波方法

2.6计算软件

2.7 本章小结

第三章：点缺陷对Ti3AlC2晶体结构及稳定性的影响

3.1 Ti3AlC2晶体结构及基本信息

3.2 Ti3AlC2电子结构

3.3 Ti3AlC2研究进展

3.4 点缺陷对Ti3AlC2稳定性的影响

3.5 本章小节

第四章：空位和杂质原子H/He在Ti3AlC2中的迁移特性

4.1 空位在Ti3AlC2中迁移

4.2 杂质原子H/He在Ti3AlC2中迁移

4.3 本章小结

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表学术论文情况