储氚钛中氦和氢的行为研究

摘要

作为可再生能源,氢能和核能的研究,在能源科学学科发展上,起着举足轻重的作用。氢能的安全存储和运输,以及核聚变堆的安全运行,都需要解决材料中氢和氦引发的问题。在吸放氢的过程中,储氢体系的结构会发生变化(相变),并且氚的衰变所产生的氦,会影响体系的稳定性。本论文利用基于密度泛函理论的从头算法软件包VASP,系统研究了金属氚化物的稳定性,并深入研究了储氚钛中氦和氢的行为;为了提高金属氚化物的稳定性,我们系统研究了合金化对MH1.5(M=Ti、Zr、Hf)体系稳定性的影响;并结合最小二乘法和分子动力学方法,拟合了能较好的反映钛的各种物理性质的相互作用势。研究结果如下:
　　1.利用基于密度泛函理论的从头算法软件包 VASP,详细研究了氟化钙结构的多种金属氢化物 MH2(M=La、Nd、Gd、Tb、Y、Dy、Ho、Er、Lu、Sc、Ti、Zr、Hf)的力学性质和电子特性。
　　研究结果表明:(1)在低温下MH2(M=M=La、Nd、Gd、Tb、Y、Dy、Ho、Er、Lu、Sc)具有稳定的氟化钙结构,而MH2(M=Ti、Zr、Hf)的氟化钙结构不稳定。(2)当金属氢化物体系总的电子态密度在费米能级处出现奇异性的尖峰,或者电子被束缚在氢原子的局域势场附近时,体系的稳定性差,有可能发生相变。(3)对于稳定的金属氢化物而言,抵抗体积形变、切应变和拉伸(或压缩)形变的能力按照从 LaH2、NdH2、GdH2、TbH2、YH2、DyH2、HoH2、ErH2、LuH2到 ScH2的顺序逐次递增。
　　2.利用基于密度泛函理论的从头算法软件包VASP,详细研究了钛-氚体系中具有氟化钙结构的 T/Ti=1.5~2体系的稳定性,并系统研究了氦的产生对氚化钛体系稳定性的影响,以及氦在氚化钛中的稳定占位情况和迁移机制。
　　研究结果表明:(1)Ti4T8体系中去掉[100]、[110]方向的两个氢得到的氟化钙结构是稳定的,且去掉氟化钙结构的Ti4H8体系[100]方向两个氚得到的Ti4T6最稳定。(2)随着He/Ti比例的增加,氚化钛体系的弹性常数、体弹模量、剪切模量、杨氏模量逐渐减小,泊松比和各向异性指数逐渐增加。由此可知,随着氦的产生体系抵抗体积形变、切应变、拉伸(或压缩)形变的能力和原子键间的结合力逐渐降低,体系的各向异性随着氦的产生而增强。(3)氦在氚化钛的四面体间隙位置较在八面体间隙位置稳定。(4)当氦位于空的四面体间隙时,其更可能的迁移路径,是经过近邻空的八面体间隙,然后迁移到另一个空的四面体间隙位置,该迁移路径的迁移能垒,比直接从空的四面体间隙位置迁移到另一个空的四面体间隙位置的迁移能垒低。(5)以去掉[100]方向的两个氚得到的Ti4H6体系为元胞构建的体系,氦更容易在(100)面上聚集。
　　3.利用基于密度泛函理论的从头算法软件包 VASP,详细研究了合金化对金属氚化物力学性能和电子特性的影响情况。
　　研究结果表明:(1)随着吸氚量的增加,钛、锆和铪的氚化物体系的晶格常数,都呈线性增长,且去掉氟化钙结构的M4H8(M=Ti, Zr, Hf)体系[100]方向两个氚得到的M4T6是最稳定的。(2)在氚化钛体系中,当与铪合金化的时候合金化比例达到25％以后,各弹性性质不再呈线性增长。(3)氚化钛体系与锆合金化,会导致体系的抗形变能力降低,反之在氚化锆体系中,适合采用与钛的合金化,来提高体系的力学稳定性。(4)锆的氚化物与铪的合金化能显著的提升体系的弹性稳定性。
　　4.利用基于密度泛函理论的从头算法软件包 VASP,研究了氦在钛中的稳定占位情况,并结合最小二乘法和分子动力学方法,拟合得到了能比较全面的反映钛的物理性质的势函数。
　　研究结果表明:(1)密排六方(HCP)结构的钛中,氦在四面体间隙位置的形成能比在八面体间隙位置的低。(2)结合分子动力学程序 MOLDY和最小二乘法程序,拟合得到的钛-钛键序相互作用势,能较好的反映钛体系的力学性能和缺陷性质,且较已有的其他钛-钛相互作用势,具有明显的优越性。

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第一章 绪 论

1.1 金属氚化物的研究进展

1.2 氚化钛中氦和氢的行为研究进展

1.3 金属氚化物中氦和氢行为的研究方法

1.4 选题目的和意义

1.5 本文研究内容与方法

第二章 计算机模拟方法-从头算法和分子动力学方法

2.1 从头算法

2.2 分子动力学方法

第三章 金属氢化物的稳定性研究

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 金属氢化物的力学性质

3.4 金属氢化物的电子特性

3.5 本章小结

第四章 氚化钛中氢和氦的行为研究

4.1 引 言

4.2 氚化钛中氢的行为研究

4.3 氚化钛中氦的行为研究

4.4 本章小结

第五章 合金化对氚化钛性能的影响

5.1 引 言

5.2 计算方法

5.3 金属氚化物中氢的行为研究

5.4 合金化对金属氚化物性能的影响

5.5 本章小结

第六章 氦在钛中行为的初步研究

6.1 引 言

6.2 计算方法

6.3 氦在钛中的稳定占位情况

6.4 钛的键序相互作用势的拟合

6.5 本章小结

第七章 结 论

7.1 全文主要结论

7.2 本论文的创新

7.3 展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果