Fe-9Cr合金微观缺陷的电子密度分布及正电子湮没机理研究

摘要

正电子湮没谱学作为新兴的核物理技术，以新型核谱学方法为工具，通过电子与正电子的湮没反应，得出材料的微观结构、电子动量分布和缺陷态种类。金属材料中电子密度分布，即电荷密度去除原子核后的自由电子分布，不仅决定了金属的物理化学性质，还影响了正电子与金属中电子的湮没行为。Fe-9Cr合金作为聚变堆结构材料中铁素体/马氏体钢的基体，在辐照和高温等特殊条件下会产生微观缺陷，这些原子尺度的缺陷会对材料性能产生很大影响，因此通过正电子湮没技术研究，可以得到Fe-9Cr合金微观缺陷的演化规律及正电子湮没机理。　　本文通过第一性原理计算，得到Fe-9Cr合金不同缺陷类型的电子密度分布，从而推理得出正电子湮没机理，并用正电子理论计算加以验证。与此同时，实验通过正电子湮没谱学和透射电镜研究了Fe-9Cr合金微观缺陷随温度的变化规律，根据理论计算得到的正电子湮没机理，分析得出Fe-9Cr合金热致缺陷演化规律。　　理论计算中Fe-9Cr合金的缺陷类型分为本征缺陷和非本征缺陷。对于本征缺陷，由电子密度可得，正电子由于受到原子核的排斥而容易被不含原子核的缺陷捕获，从而通过正电子湮没谱学参数反应出缺陷信息，如空位团的正电子湮没寿命会随着空位数的增多而上升。非本征缺陷以He原子为例，当He原子在Fe-9Cr合金不同间隙位和单空位时，处于同一直线上的S-W参数表明正电子湮没区域都是小空间型缺陷。随着空位团中He原子的增多，S-W参数曲线的斜率变化反应出缺陷类型的改变，即：空位团到He空位复合体再到He团簇，过量的He原子将导致正电子湮没寿命明显减小。少量He原子进入位错后相互吸引聚集，对寿命值影响较小。　　实验通过正电子湮没谱学研究了Fe-9Cr合金热致缺陷的演化规律。结合理论计算和透射电镜结果可以得出，初始状态的Fe-9Cr合金中含有大量的位错和单空位型缺陷（184.2 ps），其中单空位缺陷会随着退火温度的升高而迁移。当温度从573 K上升至773 K时，位错发生聚集并形成位错网状结构，位错网的形成和碳元素在位错旁空位中的聚集会导致一种浓度低且不稳定的开空间缺陷长大。当温度从773 K上升到1073 K时，位错密度从1.08×1010cm-2下降到了3.55×109cm-2，位错基本回复（108.1 ps）。1073 K则是Fe-9Cr合金从bcc相转换到fcc相的相变点。　　本文对Fe-9Cr合金微观缺陷的电子密度及正电子湮没机理研究，有助于分析聚变堆结构材料中缺陷演化行为，同时扩展了正电子湮没谱学在金属缺陷方面的应用。

目录

声明

1 引 言

1.1 研究背景

1.2 研究目的及意义

1.3 研究现状

1.4 本论文研究内容及创新点

2 理论及实验方法

2.1 正电子湮没谱学原理介绍

2.2 正电子湮没技术

2.3 正电子理论计算

2.4 第一性原理计算

3 Fe-9Cr合金本征缺陷的电子密度及正电子湮没机理研究

3.1 计算模型

3.2 间隙型缺陷

3.3 空位型缺陷

3.4 位错

3.5 本章小结

4 Fe-9Cr合金非本征缺陷的电子密度分布及正电子湮没机理研究

4.1 He在间隙型缺陷

4.2 He在空位型缺陷

4.3 He在位错

4.4 本章小结

5 正电子湮没谱学研究Fe-9Cr合金微观缺陷的演化

5.1 样品制备与处理

5.2 样品的测量

5.3 实验结果

5.4 分析及讨论

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献