Fe、Ni金属单质与Fe-Ni金属纳米多层膜的辐照损伤机理研究

摘要

金属材料等在核电站反应堆内的高温、高压、辐照、腐蚀等极端恶劣环境下工作，极易引起材料辐照脆化，肿胀，蠕变等宏观性能变化，导致机械性能下降而材料失效。研发安全性更高的新型材料、探索材料的辐照损伤机理是我国先进核能技术发展道路上亟待解决的重要课题。本文针对Fe、Ni单质金属材料和Fe-Ni金属纳米多层膜材料，利用分子动力学计算方法，开展了晶格取向、界面构型、PKA入射能量等因素对材料辐照损伤的作用机理研究。
　　主要研究内容及结论如下：
　　1）建立不同晶格取向的Fe、Ni单质金属模型，模拟材料在100 K温度、1-10 keV辐照PKA能量下的缺陷演化行为。研究结果表明，级联碰撞过程中材料缺陷经历急速上升，达到峰值，继而缓慢下降直到最终稳定的过程；随PKA能量增加，缺陷峰值、最终稳定值都上升，并且达到缺陷峰值和最终稳定值的过程时间也延长，这表明辐照 PKA能量的增加加剧了材料辐照损伤；不同晶格取向的Fe单质或Ni单质受相同PKA能量辐照时，最终稳定缺陷数目相近，表明晶格取向对材料的辐照损伤影响不明显；比较Fe、Ni两种单质辐照后缺陷数，发现Ni的原子离位阈值比Fe原子高，相同能量下Ni原子离位概率小，因此在相同PKA能量辐照下，Fe单质的辐照损伤较Ni单质严重。
　　2）建立不同界面构型的Fe-Ni金属纳米多层膜模型，分别模拟了KS、NW、Bain、Pistch四种界面构型的金属纳米多层膜材料，在100 K温度、1-10 keV辐照PKA能量下的界面损伤及界面两侧块体中的缺陷演化行为。研究结果表明，相同辐照条件下，四种界面构型金属纳米多层膜块体中缺陷数均比Fe、Ni单质少，表明金属纳米多层膜材料具有良好的耐辐照能力；此多层膜材料的四种界面受辐照后均会产生不同程度的损伤，其中NW界面原子排列紧密、界面损伤较小，但不同界面两侧块体中缺陷数目与界面构型并无关联关系。
　　本文研究了不同晶格取向的Fe、Ni单质金属材料和不同界面构型的Fe-Ni金属纳米多层膜材料的辐照损伤机理。研究结果将有助于提升我国核电工程耐辐照材料的研发水平，为发展含铁型金属纳米多层膜材料奠定理论基础。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 材料辐照损伤概述

1.3 常见材料和金属纳米多层膜的辐照损伤

1.4 本文的研究意义及内容

第二章 分子动力学方法及参数选择

2.1 分子动力学方法

2.2 级联碰撞模拟流程及参数选择

2.3 本章小结

第三章 不同晶格取向的Fe、Ni单质耐辐照损伤研究

3.1 Fe单质的辐照损伤研究

3.2 不同晶格取向Ni单质的辐照损伤研究

3.3 本章小结

第四章 不同界面构型的Fe-Ni金属纳米多层膜耐辐照损伤研究

4.1 bcc、fcc金属间界面构型介绍

4.2 不同界面构型的Fe-Ni金属纳米多层膜模型建立

4.3 Fe-Ni金属纳米多层膜耐辐照损伤性能研究

4.4 本章小节

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

攻读硕士学位期间参加科研项目情况