首次建立金屬中納米孔洞俘獲氫定量預(yù)測模型

中科院合肥研究院固體物理研究所劉長松課題組吳學(xué)邦與麥吉爾大學(xué)宋俊合作，首次建立了體心立方金屬中納米孔洞氫俘獲和聚集起泡的定量預(yù)測模型，為理解氫致?lián)p傷，以及設(shè)計新型抗氫致?lián)p傷材料提供了可靠的理論基礎(chǔ)和工具。該成果日前發(fā)表在《自然·材料》雜志上。

氫極易鉆進(jìn)金屬材料的內(nèi)部，導(dǎo)致材料損傷。例如，在磁約束核聚變反應(yīng)堆的核心部位，燃料氫同位素極易滲透進(jìn)保護(hù)其他部件的鎢金屬裝甲，與中子輻照產(chǎn)生的納米孔洞結(jié)合，從而形成氫氣泡并產(chǎn)生裂紋，最終對材料的結(jié)構(gòu)和服役性能造成致命損傷，危及聚變裝置的安全。

為攻克上述難題，研究人員采用基于密度泛函理論的模擬方法，在原子尺度上獲得了精確的氫與納米孔洞相互作用數(shù)據(jù)，并結(jié)合多尺度模擬方法，進(jìn)行宏觀尺度模擬，從而與實驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證。針對氫在不光滑納米孔洞內(nèi)壁上吸附問題，他們以體心立方金屬鎢為例，通過分析氫的運動軌跡，發(fā)現(xiàn)氫總是以單原子形式有次序地吸附在一些特定位置上，氫在復(fù)雜的孔洞內(nèi)壁吸附規(guī)律可概括為五類吸附位點及相應(yīng)的五個吸附能級，從而準(zhǔn)確描述氫在不光滑納米孔洞內(nèi)壁上的吸附特性。

基于上述規(guī)律，研究人員建立了一個普適的定量模型：內(nèi)壁上氫的能量取決于吸附點的類型以及內(nèi)壁上氫的面密度，而芯部氫的能量則由氫的體密度決定。由該模型預(yù)測得到的結(jié)構(gòu)和氫俘獲能，與模擬計算結(jié)果高度一致。

這項研究建立了氫與納米孔洞相互作用的定量物理模型，為理解氫致金屬材料損傷提供了尋求已久的關(guān)鍵認(rèn)知。這些金屬材料不僅會被用在未來聚變堆第一壁裝甲中，助力可控核聚變的實現(xiàn)，也會在氫能源汽車以及航空航天等領(lǐng)域中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。