鎢/石墨烷/鎢第一壁材料缺陷與力學(xué)性能的第一性原理計(jì)算

郭 順, 張兆春, 謝耀平, 郭海波

(上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 上海 200444)

聚變能是解決未來(lái)人類能源問(wèn)題的最有效途徑. 托卡馬克是實(shí)現(xiàn)可控?zé)岷司圩兊闹饕b置之一[1]. 在托卡馬克裝置的真空室中, 直接面對(duì)等離子體的材料被稱為第一壁材料[2]. 鎢金屬具有高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率、低濺射率等特點(diǎn), 已作為第一壁材料被廣泛使用[3]. 等離子體在放電過(guò)程中, 將有高通量高能粒子流沉積于第一壁材料, 導(dǎo)致材料產(chǎn)生輻照損傷和結(jié)構(gòu)缺陷, 例如空位、自填隙原子、氦泡等. 這些結(jié)構(gòu)缺陷會(huì)改變鎢金屬的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能, 使材料出現(xiàn)脆化和腫脹, 從而影響托卡馬克裝置的穩(wěn)定運(yùn)行[4]. 所以, 提高鎢金屬的抗輻照能力和減少氦泡的密度成為第一壁材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題. 復(fù)合材料中的各種界面可以在一定程度上抑制輻射缺陷的形成和擴(kuò)散, 從而增強(qiáng)基體的抗輻照能力. 根據(jù)一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果和材料設(shè)計(jì)理論, 已有研究者設(shè)計(jì)將金屬?gòu)?fù)合材料作為第一壁材料, 例如Cu/Nb[5]、W/V[6]. 然而, 由于邊界熱阻較高, 二組分金屬?gòu)?fù)合材料的導(dǎo)熱率比單組分金屬材料低, 從而降低了第一壁材料的傳熱效率. 石墨烷是石墨烯的重要衍生物, 有著優(yōu)良的導(dǎo)熱性能, 于是本工作首次設(shè)計(jì)將鎢/石墨烷/鎢體系作為第一壁材料, 并使用第一性原理和準(zhǔn)簡(jiǎn)諧德拜模型研究鎢/石墨烷/鎢第一壁材料對(duì)缺陷形成、力學(xué)性能和熱力學(xué)性質(zhì)的影響.

1 計(jì)算模型

在建立鎢/石墨烷/鎢第一壁材料模型前, 首先構(gòu)建鎢表面模型, 并通過(guò)計(jì)算體系的表面能確定最穩(wěn)定的鎢表面結(jié)構(gòu). 根據(jù)“晶格匹配度”和“最大配位數(shù)”原理, 構(gòu)造各種鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的初始結(jié)構(gòu), 通過(guò)計(jì)算這些結(jié)構(gòu)的界面結(jié)合能, 來(lái)確定最穩(wěn)定的鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的結(jié)構(gòu)模型. 在穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上, 使用第一性原理和準(zhǔn)簡(jiǎn)諧德拜模型研究鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的缺陷形成能、力學(xué)性能和熱力學(xué)性質(zhì). 本工作采用基于密度泛函理論的維也納從頭算模擬軟件包(Vienna ab-initio simulation package, VASP)進(jìn)行第一性原理計(jì)算[7]. 交換關(guān)聯(lián)泛函采用廣義梯度近似中的Perdew-Burke-Ernzerh方法進(jìn)行描述, 電子與離子間的相互作用采用投影綴加波(projector augmented wave, PAW)方法描述[8-9]. 在計(jì)算過(guò)程中所有原子都進(jìn)行充分馳豫, 收斂判據(jù)為每原子的受力小于0.2 eV/nm, 電子自洽能量差小于1×10-6eV.

1.1 鎢表面結(jié)構(gòu)模型

W(110)、W(001)、W(111)3 個(gè)低指數(shù)面的表面模型如圖1 所示. 在建模過(guò)程中使用周期性邊界條件, 模型原子層數(shù)均設(shè)置為7 層, 且Z方向上真空層的厚度為1.5 nm[10].

圖1 W(001)、W(110)、W(111)的表面模型Fig.1 Slab models of W(001), W(110) and W(111)

對(duì)上述3 個(gè)表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行弛豫以達(dá)到能量最低狀態(tài), 計(jì)算過(guò)程中平面波截?cái)嗄転?50 eV,布里淵區(qū)采樣使用Monkhorst-Pack 方法[11],k點(diǎn)密度為10×10×1, 表面能計(jì)算公式[12]為

式中:Eslab是3 個(gè)表面結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的總基態(tài)能量;n是表面超胞的總原子數(shù);Ebulk是單個(gè)鎢原子的基態(tài)能量;A表示表面積. 表1 是表面能和費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度計(jì)算結(jié)果, 在態(tài)密度的計(jì)算過(guò)程中,k點(diǎn)密度增加為16×16×1.

表1 W(110), W(001), W(111)的表面能和費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度Table 1 Surface energy and density of states at the Fermi level of W(110), W(001), W(111)

由表1 可知, W(110)面的表面能最低, 這意味著W(110)面是3 個(gè)表面中最穩(wěn)定的表面.通過(guò)比較3 個(gè)面在費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度值N(EF)也能得到同樣的結(jié)論. 費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度越小, 表面越穩(wěn)定. 在3 個(gè)低指數(shù)晶面中, W(110)具有最小的N(EF)值(5.12). 態(tài)密度和表面能計(jì)算結(jié)果都表明W(110)面最穩(wěn)定. 因此, 本工作選擇W(110)面來(lái)構(gòu)建鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的模型.

1.2 鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的結(jié)構(gòu)模型

石墨烷(graphane)是石墨烯的重要二維衍生, 主要有兩種構(gòu)型: 一種是椅式結(jié)構(gòu)(chair)(見(jiàn)圖2(a)), 是在石墨烯的每個(gè)碳原子上都吸附一個(gè)氫原子, 而相鄰的碳原子是上下交替吸附氫原子, 該構(gòu)型是比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu); 另一種是船式結(jié)構(gòu)(boat)(見(jiàn)圖2(b)), 是在石墨烯的每對(duì)碳原子上成對(duì)吸附氫原子, 但由于兩個(gè)氫原子之間存在斥力, 導(dǎo)致這種構(gòu)型不太穩(wěn)定[13]. 石墨烷是一種全氫化的石墨烯, 碳?xì)溆?jì)量比為1∶1, 其理想結(jié)構(gòu)的分子式為(C1H1)n. 氫原子的吸附雖沒(méi)破壞原石墨烯的二維構(gòu)型, 但使其中碳原子的雜化類型由sp2轉(zhuǎn)化為sp3, 形成的不再是平面構(gòu)型的六角網(wǎng)絡(luò), 而是呈現(xiàn)了一定的起伏度. 石墨烷的C—C 鍵長(zhǎng)也由石墨烯的0.142 nm轉(zhuǎn)變成0.152～0.156 nm[14]. 石墨烷從船式結(jié)構(gòu)變化到椅式結(jié)構(gòu)需要?dú)湓釉谄矫嬷g切換位置, 因此這種轉(zhuǎn)變是極難發(fā)生的. 所以, 在建立鎢/石墨烷/鎢體系模型時(shí), 本工作選擇更加穩(wěn)定的椅式石墨烷.

圖2 石墨烷構(gòu)象俯視圖和側(cè)視圖(碳原子為黑色, 氫原子為綠色)Fig.2 Top and side views of the graphane (carbon atoms are black, hydrogen atoms are green)

鎢晶體為體心立方結(jié)構(gòu), 空間群為P1 mm, 晶格常數(shù)為0.316 5 nm,γ為90°. 構(gòu)造鎢/石墨烷/鎢第一壁材料模型時(shí), 兩相晶格失配度必須小于5%. 晶格失配度的計(jì)算公式[15]為

式中:A是界面重疊區(qū)域;AGR和ATi分別是構(gòu)成界面的兩相晶體表面層的面積. 為了使晶格失配度小于5%, 本工作選用2×5 石墨烷超胞和3×1 W(110)表面超胞. 考慮到計(jì)算精度和效率, 將鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的模型原子層數(shù)設(shè)置為11 層(中間為單層石墨烷, 上方和下方各為5 個(gè)鎢原子層), 界面間距為0.2 nm, 原子數(shù)量為112. 本工作考慮了3 種鎢/石墨烷/鎢第一壁材料模型: 第一種是鎢原子占據(jù)碳原子的頂部; 第二種是鎢原子占據(jù)碳六元環(huán)的中心;第三種是鎢原子占據(jù)兩個(gè)相鄰氫原子連線的中點(diǎn), 3 種結(jié)構(gòu)模型如圖3 所示. 3 種模型的界面結(jié)合能[16]為

圖3 3 種鎢/石墨烷/鎢體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Three tungsten/graphane/tungsten system structure

式中:Egraphane是鎢/石墨烷/鎢第一壁材料中石墨烷的基態(tài)能量;Emetal是鎢金屬的基態(tài)能量;Einterface是整個(gè)鎢/石墨烷/鎢模型馳豫之后的基態(tài)能量. 界面結(jié)合能的計(jì)算結(jié)果如表2 所示, 當(dāng)鎢原子占據(jù)碳六元環(huán)中心時(shí), 界面結(jié)合能最大, 表明此結(jié)構(gòu)模型較其他兩種更加穩(wěn)定.

表2 3 種鎢/石墨烷/鎢體系的界面結(jié)合能Table 2 Interface binding energy of three tungsten/graphane/tungsten system

2 結(jié)果與討論

2.1 電子結(jié)構(gòu)

Bader 電荷有助于研究石墨烷和鎢原子之間的相互作用. 表3 列出了鎢原子、碳原子、氫原子的平均Bader 電荷和平均Bader 體積. 可見(jiàn), 鎢原子平均Bader 電荷為5.994 3 e, 碳原子的平均Bader 電荷為4.004 8 e, 氫原子的平均Bader 電荷為1.015 6 e. 而第一性原理計(jì)算過(guò)程中W、C、H 的價(jià)電子數(shù)分別為6、4、1. 由此可知, 鎢原子和碳原子、氫原子之間僅存在極少比例的電子離域現(xiàn)象. 在椅式構(gòu)象的石墨烷中, 平均每個(gè)原子的結(jié)合能為6.56 eV/atom,這比其他C∶H 為1∶1 的碳?xì)浠衔锶绫?6.49 eV/atom)和乙炔(5.90 eV/atom)更高[17]. 在這樣的碳?xì)浣M成比例下, 椅式石墨烷是已知的最穩(wěn)定的化合物[13,18]. 因此, 鎢原子和碳原子、氫原子之間的相互作用較弱. 從電荷密度圖中也可以得到同樣的結(jié)論, 圖4 是鎢/石墨烷/鎢體系的總電荷密度圖. 由圖可見(jiàn), 石墨烷的電荷密度和鎢原子的電荷密度沒(méi)有明顯的融合.

圖4 鎢/石墨烷/鎢材料的總電荷密度(藍(lán)色是鎢原子電荷密度, 紅色是石墨烷電荷密度)Fig.4 Total charge density of tungsten/graphane/tungsten materials (the blue region is the charge density of the tungsten atoms, and the red region is the charge density of the graphane)

表3 鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的平均Bader 電荷和平均Bader 體積Table 3 Average Bader charge and average Bader volume of tungsten/graphane/tungsten as first wall material

Parr 和Yang 在1984 年提出的福井函數(shù)是概念密度泛函框架中的一個(gè)重要概念, 已被廣泛用于預(yù)測(cè)反應(yīng)位點(diǎn)[19]. 通常, 福井函數(shù)值越大, 相應(yīng)位點(diǎn)的反應(yīng)活性越強(qiáng). 由于本工作計(jì)算的是兩相界面的福井函數(shù)值, 所以采用簡(jiǎn)縮福井函數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)反應(yīng)活性位點(diǎn). 簡(jiǎn)縮福井函數(shù)的近似計(jì)算公式[20-21]為

在本工作模型中選取石墨烷層為參考系, 最靠近石墨烷層的位置為第一最近鄰(first nearest neighbor, 1NN), 由內(nèi)向外依次為第一最近鄰、第二最近鄰(second nearest neighbor,2NN)、第三最近鄰(third nearest neighbor,3NN)、第四最近鄰(fourth nearest neighbor,4NN)、第五最近鄰(fifth nearest neighbor, 5NN). 由表4 可以看出, 第一最近鄰鎢原子層的福井函數(shù)值均高于第二最近鄰鎢原子層, 這表明石墨烷層附近的鎢原子更容易受到自由基的“攻擊”, 即越靠近石墨烷層的鎢原子活性越強(qiáng).

表4 第一最近鄰和第二最近鄰福井函數(shù)的平均值Table 4 Average value of the Fukui function of the first nearest neighbor and second nearest neighbor

2.2 石墨烷在抑制缺陷中的作用

聚變產(chǎn)生的氦原子很容易進(jìn)入鎢金屬內(nèi), 聚集之后形成“氦氣泡”, 這將導(dǎo)致第一壁材料出現(xiàn)腫脹和起泡. 本工作使用第一性原理研究氦原子在鎢/石墨烷/鎢第一壁材料中的形成能. 對(duì)于氦原子的間隙位置, 由于在體相中氦原子更傾向于占據(jù)四面體間隙位置, 所以優(yōu)先考慮氦原子占據(jù)在四面體間隙位置(tetrahedral interstitial site, TIS). 氦原子形成能定義[22]為

式中:EHe-TIS是只有一個(gè)間隙氦原子的鎢/石墨烷/鎢體系馳豫后的能量;Einterface是沒(méi)有缺陷的鎢/石墨烷/鎢體系馳豫后的能量;EHe是單個(gè)氦原子的能量. 計(jì)算結(jié)果如圖5 所示.

由圖5 可以看出, 氦原子在第一最近鄰鎢原子層中的形成能遠(yuǎn)小于第二最近鄰鎢原子層和第三最近鄰鎢原子層中的形成能. 這表明在鎢/石墨烷/鎢第一壁材料中氦原子更傾向于占據(jù)在界面處, 或者是界面具有捕獲氦原子的作用. 圖6 展示了氦原子占據(jù)四面體間隙位置馳豫前后的情況. 由圖6 可以看出, 氦原子無(wú)論是占據(jù)在第一最近鄰還是第二最近鄰位置, 弛豫后氦原子更傾向于移動(dòng)到界面處, 這也再次驗(yàn)證了界面對(duì)填隙氦原子的捕獲作用. 鎢/石墨烷/鎢第一壁材料中的界面有助于降低鎢體相中氦缺陷的密度.

圖5 氦原子占據(jù)四面體間隙位置的形成能Fig.5 Formation energy when helium atoms occupy tetrahedral interstitial site

圖6 氦原子占據(jù)四面體間隙位置時(shí)馳豫前后對(duì)比Fig.6 Comparison before and after relaxation when helium atom occupy the tetrahedral gap position

為研究鎢/石墨烷/鎢第一壁材料對(duì)鎢空位形成的影響, 使用下式計(jì)算鎢空位形成能, 空位模型是通過(guò)移除第一最近鄰層、第二最近鄰層和第三最近鄰層中的一個(gè)鎢原子形成的[23],

式中:E(n-1)W+V、EnW、E1W分別是具有n-1 個(gè)鎢原子和一個(gè)空位的超胞能量、具有n個(gè)鎢原子的超胞能量、單個(gè)鎢原子的能量. 計(jì)算結(jié)果如表5 所示.

表5 界面不同位置的鎢空位形成能Table 5 Tungsten vacancy formation energy of different site on the interface

由表5 可知, 第一最近鄰層的鎢空位形成能明顯小于第二最近鄰和第三最近鄰層的鎢空位形成能, 這表明界面會(huì)吸收空位. 輻射損傷的根本原因是, 在高能粒子與目標(biāo)原子之間的級(jí)聯(lián)碰撞過(guò)程中, 產(chǎn)生了單個(gè)或聚集的空位以及自填隙缺陷[24]. 這些缺陷后續(xù)的擴(kuò)散和聚集, 以及伴隨的雜質(zhì)遷移, 會(huì)導(dǎo)致材料出現(xiàn)蠕變加速、體積膨脹、合金元素偏析和脆化[25], 這些現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重限制輻射環(huán)境中材料和組件的壽命. 復(fù)合材料中的晶界和界面可以充當(dāng)吸收缺陷的陷阱, 以減少基體中由輻照引起的缺陷[26-27]. 圖7 展示了鎢/石墨烷/鎢第一壁材料對(duì)自填隙鎢原子的影響, 該缺陷模型是通過(guò)去除一個(gè)鎢原子形成空位, 以及增加一個(gè)自填隙鎢原子而形成的(圖7(a)為四面體間隙位置, 圖7(c)為八面體間隙位置). 在弛豫前, 這些缺陷是致密的, 就像純鎢晶體中的空位和自填隙缺陷一樣; 在弛豫后(見(jiàn)圖7(b)和圖7(d)), 自填隙鎢原子與空位重新復(fù)合.

圖7 界面處的自填隙鎢原子和鎢空位(粉色是自填隙鎢原子, 黃色是空位)Fig.7 Self-interstitial tungsten atom and vacancy at the interface(the pink is self-interstitial tungsten atom, the yellow is vacancy)

由于空位和自填隙鎢原子都被消除了, 因此可以將受石墨烷層影響的復(fù)合視為鎢/石墨烷/鎢第一壁材料中界面的“自修復(fù)”特征. 所以, 可通過(guò)促進(jìn)空位和自填隙原子的復(fù)合來(lái)減少缺陷, 進(jìn)而提高材料的抗輻照能力. 基于以上討論, 本工作認(rèn)為鎢/石墨烷/鎢第一壁材料中的界面不僅可以捕獲氦原子和鎢空位, 而且還是自填隙鎢原子和空位的復(fù)合位點(diǎn). 總之, 界面設(shè)計(jì)是減少鎢體相中缺陷密度并增強(qiáng)材料抗輻射能力的有效策略.

2.3 力學(xué)性能

在宏觀上, 材料的力學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為材料的延展性、脆性和抵抗變形的能力, 同時(shí)表現(xiàn)在材料的強(qiáng)度和硬度等方面. 在微觀上, 材料的力學(xué)性質(zhì)是通過(guò)體積模量(B)、剪切模量(G)、楊氏模量(E)、泊松比(ν)、柯西壓力值(C′)、各向異性因子(A)等物理量來(lái)體現(xiàn). 對(duì)于立方晶體, 可以通過(guò)以下彈性常數(shù)的一組條件來(lái)表示機(jī)械穩(wěn)定性[28],

鎢/石墨烷/鎢第一壁材料和純鎢金屬的彈性常數(shù)均滿足上述條件, 表明它們均符合彈性穩(wěn)定性機(jī)制. 表6 列出了0 K 時(shí)純鎢金屬和鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的基本力學(xué)參數(shù).

表6 0 K 下純鎢金屬和鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的基本力學(xué)參數(shù)Table 6 Basic mechanical parameters of pure tungsten metal and tungsten/graphane/tungsten as first wall material at 0 K

柯西壓力可以描述材料的金屬鍵和共價(jià)鍵行為, 柯西壓力值越大, 金屬鍵越牢固, 材料的延展性越好[29]. 由表6 可以看出, 與純鎢金屬相比, 鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的柯西壓力(C′)顯著增大, 這意味著鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的延展性要好于純鎢金屬. 各向異性因子(A)是指在不同方向上材料性能的差異. 材料失效前產(chǎn)生的微裂紋與各種因素有關(guān), 例如彈性常數(shù)和熱膨脹系數(shù)等物理量的各向異性容易在材料的晶界處產(chǎn)生應(yīng)力, 從而導(dǎo)致晶界處形成裂紋. 若A= 1, 則材料表現(xiàn)為各向同性; 若A偏離1 越遠(yuǎn), 則材料的各向異性程度越嚴(yán)重.鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的各向異性因子(0.907)較純鎢金屬(0.887)更接近1, 這說(shuō)明鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的各向異性程度較低. 作為托卡馬克裝置的第一壁材料, 各向異性程度越低,在受到高能粒子流轟擊時(shí), 出現(xiàn)裂紋的概率越低. 從第一性原理計(jì)算直接獲得的彈性模量未考慮溫度效應(yīng), 即在0 K 時(shí)的計(jì)算結(jié)果. 聚變反應(yīng)器的工作溫度通常在800～1 200 K的范圍內(nèi),因此需要考慮溫度對(duì)第一壁材料力學(xué)性能的影響. 托卡馬克真空室的壓力近似為0, 所以暫不考慮壓力的影響. 將第一性原理和準(zhǔn)簡(jiǎn)諧德拜模型結(jié)合, 可以計(jì)算出材料在不同溫度下的力學(xué)模量. 圖8～10 表示純鎢金屬和鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的體積模量(B)、楊氏模量(E)、剪切模量(G)隨溫度變化的情況. 可以看出, 鎢/石墨烷/鎢第一壁材料和純鎢金屬的力學(xué)模量均隨溫度的升高而降低. 但在相同溫度下, 鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的3 個(gè)力學(xué)模量均低于純鎢金屬, 并且鎢/石墨烷/鎢第一壁材料力學(xué)模量的下降速度要快于純鎢金屬.

圖8 純鎢金屬和鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的體積模量隨溫度的變化Fig.8 Bulk modules of pure tungsten metal and tungsten/graphane/tungsten as first wall material varies with temperature

圖9 純鎢金屬和鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的楊氏模量隨溫度的變化Fig.9 Young’s modules of pure tungsten metal and tungsten/graphane/tungsten as first wall material varies with temperature

圖10 純鎢金屬和鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的剪切模量隨溫度的變化Fig.10 Shear modules of pure tungsten metal and tungsten/graphane/tungsten as first wall material varies with temperature

2.4 熱力學(xué)性質(zhì)

2.4.1 定容熱容

定容熱容是指在加熱過(guò)程中體積保持恒定, 物體不對(duì)外部工作, 并且外部提供的熱量完全用于增加物體的內(nèi)部能量, 反映了物體從周圍環(huán)境吸收熱量的能力. 定容熱容直接反映系統(tǒng)內(nèi)部能量的變化. 圖11 表示鎢/石墨烷/鎢第一壁材料和純鎢金屬的定容熱容隨溫度變化的情況. 可以看出, 在低溫區(qū)域(小于300 K), 兩種材料的定容熱容隨溫度升高而快速增大, 鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的定容熱容略大于純鎢金屬; 在高溫區(qū)(大于400 K), 兩種材料的定容熱容幾乎不隨溫度的變化而變化, 這種關(guān)系符合Dulong-Petit 極限規(guī)律, 即高溫下體系的定容熱容等于3R(R=8.314 J·mol-1·K-1)[30]. 因此, 在高溫區(qū)域, 石墨烷的加入對(duì)鎢金屬的定容熱容影響不大.

圖11 純鎢金屬和鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的定容熱容隨溫度的變化Fig.11 Constant-volume heat capacity of pure tungsten metal and tungsten/graphane/tungsten as first wall material varies with temperature

2.4.2 吉布斯自由能和熵

圖12 純鎢金屬和鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的吉布斯自由能隨溫度的變化Fig.12 Gibbs free energy of pure tungsten metal and tungsten/graphane/tungsten as first wall material varies with temperature

圖13 純鎢金屬和鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的熵值隨溫度的變化Fig.13 Entropy of pure tungsten metal and tungsten/graphane/tungsten as first wall material varies with temperature

3 結(jié) 論

本工作首次設(shè)計(jì)將鎢/石墨烷/鎢體系作為托卡馬克裝置第一壁材料. 利用第一性原理研究鎢/石墨烷/鎢第一壁材料對(duì)鎢空位形成能、填隙氦原子形成能、自填隙鎢原子和彈性常數(shù)的影響, 并結(jié)合準(zhǔn)簡(jiǎn)諧德拜模型計(jì)算了不同溫度下的力學(xué)性能和熱力學(xué)性質(zhì), 所得結(jié)論如下.

(1) 鎢/石墨烷/鎢第一壁材料中的界面可以作為吸收鎢空位和填隙氦原子的陷阱, 降低鎢空位與填隙氦原子的形成能, 從而減少鎢空位與氦原子在鎢體相中的聚集. 界面處的自填隙鎢原子在弛豫后會(huì)與空位重新復(fù)合, 降低了第一壁材料中自填隙缺陷的密度. 鎢/石墨烷/鎢第一壁材料中的界面設(shè)計(jì)是減少鎢體相中“氦氣泡”和缺陷密度以及增強(qiáng)材料抗輻照能力的有效策略.

(2) 與純鎢金屬相比, 鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的柯西壓力(C′)顯著增大, 這說(shuō)明材料的延展性得到提高. 并且鎢/石墨烷/鎢第一壁材料的各向異性因子值更接近1, 即各項(xiàng)異性程度在減弱, 這使得第一壁材料在遭受高能粒子流轟擊時(shí)不容易產(chǎn)生裂紋.

(3) 與純鎢金屬相比, 鎢/石墨烷/鎢第一壁材料在高溫情況下的熱力學(xué)穩(wěn)定性有所降低.

致謝由衷感謝張兆春老師和郭海波老師對(duì)本工作的大力支持！感謝上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院Compmat 服務(wù)器集群提供的計(jì)算資源.