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ODS钢研究进展及其在核电领域的应用现状陈禹希;陈东旭;张峻巍【摘要】氧化物弥散强化钢(Oxide Dispersion Strengthened Steel,ODS钢),具有优异的力学性能、高温稳定性及抗辐照性能.本文概要地综述了机械合金化、热等静压固化成形、等离子烧结及转角挤压等ODS钢的制备方法,总结了微观组织及结构对ODS钢性能的影响规律及影响机制,又综述了合金元素对ODS钢性能影响的相关研究进展;并对ODS钢在核电领域中的应用及相关研究进展进行了概括,介绍了激光技术在ODS钢制备及加工领域的应用,讨论了ODS钢在核电环境服役过程中存在的主要问题及进一步的研究方向,为核电站的安全运行提供有力的参考依据,对于核电材料的创新发展具有一定的参考作用.【期刊名称】《材料科学与工艺》【年(卷),期】2019(027)003【总页数】6页(P29-34)【关键词】氧化物弥散强化;核电材料;机械合金化;抗辐照损伤;激光【作者】陈禹希;陈东旭;张峻巍【作者单位】辽宁科技大学激光先进制造技术研发中心,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学激光先进制造技术研发中心,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学激光先进制造技术研发中心,辽宁鞍山114051;辽宁科技大学材料与冶金学院,辽宁鞍山114051【正文语种】中文【中图分类】TG406核能作为一种高效、清洁并且稳定的能源，对于解决能源危机和改善环境污染等问题意义重大，已成为当前主要的可靠能源之一.核电运行环境十分苛刻，其核心构件都是在高温及高压的环境下运行，如常见的压水堆(pressure water reactor，PWR)和超临界水堆(supercritical watercooled reactor，SCWR)等，其工作温度高达280～650℃，压力最高可约达25 MPa，同时还有强烈的中子辐照、氘氚聚变反应的离子辐照和H+/He+辐照等［1－3］，如此苛刻的环境会对核电材料的服役性能产生重大影响.而核电材料在服役过程中的失效损伤是影响核电站安全性、可靠性和经济性的关键问题之一.可以说，核电材料服役过程中的环境损伤问题严重影响着核电的发展，已经受到了学者们越来越多的关注.目前，关于核电关键部位材料的开发和选用是核电系统及相关研究人员主要关注的问题之一.氧化物弥散强化钢(oxide dispersion strengthened steel，ODS钢)，具有优异的力学性能，其原理是通过大量纳米尺寸的氧化物弥散强化相对基体中的位错和晶界进行钉扎来减少晶界的滑移，从而起到强化的作用.另一方面，ODS钢中存在大量弥散分布的氧化物强化相，这些强化相具有优异的高温稳定性，可以在大量的离子及中子辐照环境下长期保持较高的性能.鉴于其优异的力学性能、高温稳定性及抗辐照性能，ODS钢有望作为第四代核反应堆的第一壁包壳材料及高温结构件材料而被应用于核电站中［2－5］.1 ODS钢研究现状1.1 ODS 钢简介ODS钢是在合金基体中添加纳米尺寸的第二相(强化相)，使其固溶到合金基体中，在之后的热固化成型和热处理中与基体中的合金元素结合形成纳米尺度的弥散强化相，使合金的性能得以提高.目前，ODS钢主要使用氧化物作为强化相，其中最常见的氧化物弥散强化相为Y2 O3.由于Y2O3的高温稳定性及辐照下的稳定性十分优异，因此被广泛应用于ODS钢中.关于ODS钢的强化机制，目前认为其主要是通过固溶强化、弥散强化、晶界强化及位错强化等方式来提高自身的强度与硬度.由于ODS钢本身存在W、Ti等与基体原子半径相差较大的元素，从而引起较大程度的晶格畸变，最终导致强度与硬度的提高.此外，氧化物弥散强化相的加入可以起到阻碍位错运动的作用，如ODS钢制备过程中由于塑性变形产生的大量位错会在弥散相的作用下形成位错缠结，使位错的可动性降低，从而形成位错强化，使材料的强度与硬度得以提高.同时，这些弥散分布的氧化物颗粒在高温下能保持良好的稳定性，进而通过阻碍晶界的滑动达到提高材料高温强度的目的.1.2 ODS钢制备方法研究进展ODS钢的制备工艺直接决定其性能优劣，并且是其能否被广泛应用的前提.传统的ODS钢制备过程是通过机械合金化方法实现.首先，将纳米尺寸的强化相(一般为Y2 O3)粉末加入到合金粉末中，在球磨机中进行机械合金化球磨处理，使Y2 O3固溶到合金基体中.随着球磨的进行，合金粉末逐渐发生团聚，团聚的粉末颗粒随球磨时间的延长而逐渐细化并转变为尺寸约十几微米的等轴晶粒，此时认为合金粉末之间达到了冷焊－断裂的动态平衡［6］.然而，传统机械合金化的方法存在一些缺点，如球磨时间过长，效率较低，容易引入杂质，预合金粉末在较长时间的球磨下会发生一定程度的氧化，并且所添加的元素含量也存在一定的限制，因此，又发展出热挤压(HE)或热等静压(HIP)方法对球磨后的合金粉末进行热固化成型.利用HE成型的ODS钢致密度较高，但存在各向异性;而通过HIP成型的ODS钢避免了各向异性，但致密度相对较差.此外，有研究发现［7－8］，经 HE 成型的 ODS钢比 HIP 成型的 ODS钢抗拉强度和硬度更高，且氧化物强化相弥散分布均匀程度更高.如图1所示［7］，室温下HE成型ODS钢的极限抗拉强度(σb)为2 500 MPa，明显高于HIP成型的ODS的σb(900 MPa).图1 ODS铁素体钢经HE和HIP后极限抗拉强度Fig.1 UTStest for the ODSferritic steels after HE and HIP除了上述两种常用的成型方法，ODS钢的固化成型方法还包括放电等离子烧结(SPS烧结)、等通道转角挤压(ECAE)及微波烧结等.表1给出了几种ODS钢固化成型常用方法的特点，可以看出:SPS烧结法最主要的特点是加热时间较短，效率较高，并且制备出的烧结体致密度较高［9］;ECAE法的主要特点是富Cr颗粒会得到有效的细化，并且Y2O3纳米颗粒分布更均匀，由于晶粒细化作用，材料硬度得到了提高［10］;微波烧结能有效降低烧结温度，减少烧结时间，这不仅可以降低烧结成本，而且由于烧结时间短，晶界的流动性低，不容易诱发晶粒的大幅度长大，所以，获得的晶粒相对来说更为细小［11－12］.表1 几种ODS钢固化成型方法的特点Table 1 Characteristics of ODS steels after several kinds of solidification成型方法特点SPS烧结加热时间短、烧结体致密度高ECAE Y2 O3纳米颗粒分布均匀、材料的硬度较高微波烧结晶粒较细小随着ODS钢制备方法的不断改进，近年来已出现了很多新工艺来弥补和改善传统机械合金化方法的不足和局限性［13－16］.Gil等［13］利用气雾化(GA)法制备ODS－RAF钢，避免了球磨过程中杂质的引入.Sun等［14］将强化相用化学方法添加到基体金属中，再利用机械球磨将粉末混合均匀，随后进行SPS烧结压实最终制备出ODS合金.该方法制备的ODS合金中氧化物质点分布更均匀，杂质引入较少.Chen等［15］利用退火后的二次球磨处理使ODS合金晶粒得到进一步细化，获得更加细小且均匀的弥散相，从而提高了合金的硬度.Lin等［16］利用电子束物理气相沉积(EBPVD)的方法制造出Y质量分数高达8.5%的ODS钢，该ODS钢的纳米强化相主要是bcc结构的Y2 O3，不存在Y－Al－O纳米相，而且材料的硬度随Y2O3含量的增加而增大，这种方法对于铸造ODS钢薄板和管材有巨大的潜力.上述关于ODS合金加工制备方法的研究工作为更优质的ODS钢的制备提供了新的实践和理论基础.1.3 微观组织、结构对ODS钢性能的影响ODS钢主要依靠氧化物弥散相实现强化，因此，ODS钢中强化相的微观组织、结构及分布等均会对其自身性能有显著影响［17－19］.Sakasegawa等研究发现［17］，在ODS钢基体晶粒内部和晶界处，均匀分散着尺寸由几纳米到几百纳米不等的氧化物析出相.这些氧化物的析出相主要有两种形式:一种是非化学计量比的Y－Ti－O纳米团簇，尺寸一般为几纳米;另一种是化学计量比的Y2Ti2O7和Y2TiO5，尺寸一般为几十纳米，同时还存在着一些大尺寸(几百纳米)的团簇.这些析出相弥散而又均匀地分散在ODS钢基体中，能起到钉扎位错和晶界，并防止位错和晶界滑移的作用.此外，Hoffmann等［18］对 ODS钢的研究发现，在ODS 钢制备过程中，基体晶粒的长大和氧化物强化相颗粒的形成之间存在着竞争关系，氧化物颗粒的形成会阻碍晶粒的进一步长大.Zhang等［19］对不同温度下ODS 钢中的位错进行了研究，结果表明，位错的密度随温度的变化而改变.在室温和300℃时，ODS钢中以刃型位错为主，其密度远高于螺型位错，而刃型位错经螺型位错更容易绕过纳米颗粒，所以当温度升高为600℃时，刃型位错显著减少，螺型位错占主导地位，同时位错的密度有所降低.1.4 合金元素对ODS钢性能影响ODS钢中的主要合金元素包括Cr、W、Ti、Mo及Al等，不同的合金元素及合金元素的添加量对ODS钢组织与性能的影响也不尽相同.表2给出了ODS钢中的几种主要合金元素及其作用.其中，Cr的添加能使ODS钢表面在服役过程中生成尖晶石组成的保护性氧化膜，阻止腐蚀的进一步发展进而提高ODS钢的耐蚀性能.同时，添加一定量的Cr会使纳米析出相的尺寸进一步减小，缩小粒度分布［20］.但Cr的添加量并不是越多越好，一般Cr的质量分数为9% ～16%，含量太少达不到要求的耐蚀性，含量过多会造成材料的老化、脆化.Al的添加会使ODS钢在超临界水堆中的氧化膜厚度增加，从而提高ODS钢的耐超临界水腐蚀能力［21］;Ti 的添加可以促进ODS钢热固化成型和后续热处理中纳米氧化物的析出.表2 ODS钢主要合金元素作用Table 2 Effects of main alloying elements in ODSsteel添加元素作用Cr 增加ODS钢的耐蚀性能、减小纳米析出相的尺寸、缩小粒度分布Al 提高ODS钢耐超临界水腐蚀能力Ti 促进纳米氧化物的析出、细化纳米氧化物颗粒的尺寸W、Co 固溶强化、提高ODS钢的强度、硬度和蠕变断裂强度基体中的Y和O与Ti结合，生成Y－Ti－O纳米析出相，并且Ti的添加会起到细化纳米氧化物颗粒的作用［20］.另外，研究表明［22］，Ti的质量分数一般不能超过0.5%，否则多余的Ti会生成TiO2氧化物而导致材料的脆化;W、Co等元素的添加起到固溶强化的作用，提高合金的强度、硬度和蠕变断裂强度;Y2O3作为ODS钢的强化相，一般添加的质量分数为0.3%～0.35%.由于Y2O3有相对较高的高温稳定性，在较高的温度下不易发生溶解，经常作为ODS钢的主要弥散强化相.但近年来越来越多的研究［23－26］开始关注其他添加元素对ODS钢组织和性能的影响.研究表明:用Fe2Y代替Y2O3作为强化相会使ODS钢有更好的夏比冲击性能［23］;而以YTaO4作为纳米弥散相更能保持整个晶格的连续性［24］;在ODS钢中添加质量分数3.3%～3.8%的Al会提高材料在液态铅－铋中的耐蚀性［25］，添加质量分数1%～4%的Sc能明显稳定晶粒尺寸并提高ODS 钢的高温强度［26］.2 ODS钢耐蚀性的研究作为第四代核反应堆的第一壁包壳材料，ODS钢主要应用于超临界水堆中.由于ODS钢中添加了大量的Cr和一定量的Al，在工作过程中会产生阻止腐蚀进一步发展的氧化层.同时，晶粒尺寸细化和Y－Ti－O纳米弥散相有利于氧化膜的形成，这也决定了ODS钢较高的耐蚀性［27－28］.研究表明，在腐蚀过程中该氧化层主要由内层、外层和过渡层3部分组成，而ODS钢中Al元素的存在直接影响了氧化层成分.当ODS钢表面发生腐蚀时，首先形成的是Fe、Cr尖晶石状的保护性氧化层，随着时间的增加，Fe离子在尖晶石结构中的扩散速率较快，逐渐向外扩散到金属表面，与环境中的O结合，生成Fe3O4的外层氧化膜.而由于Cr离子在尖晶石结构中的扩散速度较慢，使Cr离子沉淀在氧化层内部，形成FeCr2O4的内层氧化膜.当ODS钢中含有Al元素时，腐蚀初期同样形成尖晶石结构的保护性氧化层，Fe 离子向外扩散与环境中的O结合形成Fe3O4的外层氧化层，而Al与O的亲和力比Fe、Cr都要强，所以，在氧化膜的内层形成了Al2 O3的保护性氧化层［21］.然而，Nagini等［29］和 Terada 等［30］认为，由于氧化物的弥散分布，纳米析出相容易产生点蚀，所以，ODS钢的耐蚀性要比铁素体AISI430和马氏体410不锈钢差.3 ODS钢在核电站中的应用在超临界水堆环境中，主要分为快中子区和热中子区，其最高温度可达750℃，尤其是堆芯内部构件如包壳等，都承受着200℃以上的温差和巨大载荷.在如此恶劣的工作环境下，决定材料使用寿命的主要性能有高温蠕变性和抗辐照性能.由于服役温度达到材料熔点的0.5～0.7倍时容易导致蠕变的发生，所以，超临界水堆条件下材料极易发生蠕变.ODS钢由于其存在大量的纳米尺度的弥散强化相，能在高温条件下长时间保持稳定性，阻止位错的运动，在很大程度上减小高温蠕变的发生;而长期的辐照环境会改变材料的微观结构，从而导致材料发生肿胀、脆化，降低材料的使用性能［31］.核电用钢在工作中承受大量的中子辐照，会产生许多空位等缺陷，He进入材料中的空位中形成He泡，引起材料的辐照肿胀，对材料的微观结构和性能造成不利的影响.李融武等［32］对聚变堆中子对第一壁316不锈钢材料辐照损伤进行了计算机模拟研究，结果表明，中子引起的辐照损伤基本上为均匀的体损伤.316不锈钢平均氦气产生率较高，引起材料的辐照损伤.为保障核电用钢使用的安全性及长久性，通常选用具有良好高温强度和抗辐照损伤性能的铁素体钢作为核电站的第一壁包壳管材料.而在铁素体钢中添加弥散相的ODS钢，由于大量的纳米氧化物和位错会持续吸收热空位和He原子捕捉He泡，所以，ODS钢对于H+/He+有很好的抗辐照性能［33］.此外，钢中大量弥散氧化物还会在高温下保持很好的稳定性，不发生溶解，这使ODS钢具有相对于普通核电用钢更好的高温性能［34］.但在Bi离子、Xe离子、Ar离子和Kr离子中会诱发Cr23 C6和Y－Ti－O非晶潜在轨道的形成，并与周围基质相互作用，可能导致合金中Y－Ti－O纳米粒子部分或完全溶解，所以，ODS 钢在其他离子中的辐照稳定性不是很好［35］.正因为上述的这些特点，ODS钢成为目前研究的热点之一，有望作为第四代核反应堆(主要是超临界水堆)的第一壁包壳材料.4 存在的问题及展望综上所述，ODS钢是第四代核电最热门的候选材料之一，但由于特殊的工作环境，对ODS钢的性能也提出了更为苛刻的要求.目前，关于ODS钢的开发及研究还存在一些问题.例如，ODS钢的制备工艺有待进一步完善，如何选择并控制纳米尺寸氧化物的形貌、结构及分布等是制备优质ODS钢的关键.纳米尺寸氧化物分布的均匀程度直接决定了ODS钢的各项性能，是目前ODS钢制备过程中研究的重点之一.ODS钢制备时，要保证纳米氧化物在溶入基体和析出的过程中尽可能地减少杂质的引入，避免较大范围的团聚，避免发生过度长大，并且使强化相主要分布于晶粒的内部.目前，由传统的加工工艺制造的ODS钢晶粒尺寸普遍偏大，这对材料的力学性能和耐蚀性能都有一定的影响.晶界是原子扩散的通道，只有细化晶粒才能使材料在发生腐蚀时，合金元素快速扩散到材料表面，形成保护性的氧化膜，阻止腐蚀的进一步发展.此外，更加细小的颗粒更能阻碍位错的运动，阻止裂纹的进一步扩展，提高材料的使用性能［36］.而激光快速凝固技术是提高材料性能的有效手段，当高能激光辐照在材料表面，会产生材料的超快速熔化与凝固(激光快速熔凝技术)，可在基材表面形成一层由细小晶粒组成的过饱和固溶体组织，使材料表面的组织得到细化，性能得以提高.另一方面，ODS钢在核电运行环境中的耐蚀性能相关研究较少，如在超临界水堆的高温高压水腐蚀条件下的耐蚀性研究、在冷却剂Na和Pb－Bi共晶合金体系中的耐蚀性研究、H+和He+辐照条件下的抗辐照性能研究以及经快中子辐照后ODS钢性能的研究等.因此，必须发展先进有效的加工手段来制备出性能优异的ODS钢.同时，还需对其在模拟核电运行环境下的性能尤其是耐腐蚀能力进行深入研究，获得ODS钢在核电运行环境下损伤实验数据，揭示相关的损伤机理并阐明其环境损伤的控制因素，为核电站的安全运行提供有力的保障.参考文献:【相关文献】［1］ HAN E H.Research trends on micro and nano-scale materials degradation in nuclear power plant［J］.Acta Metallurgica Sinica，2011，47(7):769－776.［2］朱发文.超临界水冷堆堆芯候选材料腐蚀性能研究［D］.上海:上海交通大学，2010:2－11.ZHU 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俄歇电子能谱分析一、俄歇电子能谱分析的概况与X射线光电子能谱（XPS）一样，俄歇电子能谱（AES）也可以分析除氢氦以外的所有元素，现已发展成为表面元素定性、半定量分析、元素深度分布分析和微区分析的重要手段。
三十多年的来，俄歇电子能谱无论在理论上和实验技术上都已获得了长足的发展。
俄歇电子能谱的应用领域已不再局限于传统的金属和合金，而扩展到现代迅猛发展的纳米薄膜技术和微电子技术，并大力推动了这些新兴学科的发展。
目前AES分析技术已发展成为一种最主要的表面分析工具。
在俄歇电子能谱仪的技术方面也取得了巨大的进展。
在真空系统方面已淘汰了会产生油污染的油扩散泵系统，而采用基本无有机物污染的分子泵和离子泵系统，分析室的极限真空也从10-8Pa提高到10-9Pa量级。
在电子束激发源方面，已完全淘汰了钨灯丝，发展到使用六硼化铼灯丝和肖特基场发射电子源，使得电子束的亮度，能量分辨率和空间分辨率都有了大幅度的提高。
现在电子束的最小束斑直径可以达到20nm，使得AES的微区分析能力和图象分辨率都得到了很大的提高。
AES具有很高的表面灵敏度，其检测极限约为10-3原子单层，其采样深度为1〜2nm，比XPS还要浅。
更适合于表面元素定性和定量分析，同样也可以应用于表面元素化学价态的研究。
配合离子束剥离技术，AES还具有很强的深度分析和界面分析能力。
其深度分析的速度比XPS的要快得多，深度分析的深度分辨率也比XPS的深度分析高得多。
常用来进行薄膜材料的深度剖析和界面分析。
此外，AES 还可以用来进行微区分析，且由于电子束束斑非常小，具有很高的空间分别率。
可以进行扫描和微区上进行元素的选点分析，线扫描分析和面分布分析。
因此AES方法在材料、机械、微电子等领域具有广泛应用，尤其是纳米薄膜材料领域。
二、基本原理俄歇电子能谱的原理比较复杂，涉及到原子轨道上三个电子的跃迁过程。
当X射线或电子束激发出原子内层电子后，在原子的内层轨道上产生一个空穴，形成了激发态正离子。
含铒铝合金研究进展黄晖;文胜平;魏午;吴晓蓝;亓鹏;郭彦梧;荣莉;高坤元;聂祚仁【期刊名称】《中国材料进展》【年(卷),期】2022(41)10【摘要】铝合金性能向高比强、高比模、高损伤容限、耐热和耐蚀等方向发展,微合金化是提高铝合金性能的重要手段,大量研究工作表明,铝合金中添加廉价元素铒(Er)能够起到有效的微合金化作用。
对Al-Er析出相的结构、析出规律进行了总结,并对Er元素在几类工业铝合金、铸造铝合金和3D打印铝合金中的作用进行了综述。
微合金化元素Er在铝合金中可形成纳米级Al_(3) Er强化相,在相同原子含量的情况下,Al_(3) Er的弥散强化效应比Al_(3) Sc更显著。
Er元素的加入及Al_(3)Er相的析出可明显细化铝合金的组织,提高铝合金的再结晶温度,促进主强化相的析出,最终大幅度提高铝合金的强度或塑性。
Er元素还可以与Zr等元素形成高稳定性Al_(3)(ErZr)等复合强化相,通过其对位错亚结构、晶粒形态调控等多层次作用机理,有效地提高铝合金耐热性能、耐腐蚀性能,以及3D打印成形裂纹抑制等综合性能。
目前,微合金化元素Er及其复合微合金化作用已经成功应用在Al-Cu系、Al-Mg 系、Al-Zn-Mg系变形铝合金以及铸造铝合金、3D打印铝合金中,成为提高铝合金综合性能的一种重要方法。
【总页数】9页(P778-785)【作者】黄晖;文胜平;魏午;吴晓蓝;亓鹏;郭彦梧;荣莉;高坤元;聂祚仁【作者单位】北京工业大学材料与制造学部先进铝合金研究所【正文语种】中文【中图分类】TG146.21【相关文献】1.织构对含铒铝合金疲劳裂纹扩展行为的影响2.含铒铝合金TIG焊与激光焊接头组织与性能对比3.含微量铒元素Al-5.5Mg-1Zn焊丝焊接7075铝合金TIG焊缝的组织和性能4.含铒铝合金专利分析5.含铒铝合金专利分析因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
高熵金属材料在氢环境中的脆性行为研究进展李泽君;宋洁;徐桂芝;郝文魁;骆鸿【期刊名称】《表面技术》【年(卷),期】2024(53)11【摘要】氢脆广泛发生于各种金属及合金材料中,氢脆存在隐蔽性和时间滞后性,一旦发生往往带来灾难性事故,制约了金属材料在极端工况环境下的应用。
研究发现,一些高熵合金(HEA)或多主元合金在力学性能、耐蚀性、抗氢脆性能等方面表现出超越传统合金材料(如钢、镍基合金、铝合金等)的性能特点,有望成为极端恶劣工况环境下装备用材料。
在此基础上,对氢脆的机理和抗氢脆多主元合金领域的研究进展进行了综述。
首先介绍了氢脆的概念,并梳理了几种金属氢脆机理,包括氢压理论、氢致局部塑性变形、氢增强解离、氢增强应变诱导空位、纳米空位聚合、氢促进位错发射等。
随后,结合慢应变速率拉伸实验结果,梳理了影响多主元合金(尤其是高熵合金)抗氢脆性能的因素,包括氢含量、合金元素、微观结构、制备工艺、热处理工艺和实验条件等。
最后,结合影响多主元合金抗氢脆性能的因素,提出通过优化制备工艺、改善热处理工艺和调整元素含量来提高CoCrFeMnNi高熵合金的抗氢脆性能,以及采用机器学习辅助开发新的抗氢脆多主元合金的观点,可为抗氢脆材料的研发提供参考。
【总页数】15页(P21-34)【作者】李泽君;宋洁;徐桂芝;郝文魁;骆鸿【作者单位】北京科技大学;华北电力大学;国网智能电网研究院有限公司先进输电技术国家重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TG139【相关文献】1.正电子湮没谱学在金属材料氢/氦行为研究中的应用2.金属材料在污染大气环境中初期腐蚀行为和机理研究进展3.高含H_2S环境中CO_2对P110套管钢氢脆腐蚀行为的影响4.掺氢天然气环境下管道钢氢脆行为研究进展5.间隙强化FeMnCoCr亚稳高熵合金及其低温/临氢服役性能研究进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第42卷第6期2020年12月Vol.42No.6Dec2020核化学与放射化学Journal of Nuclear and Radiochemistry氚化学与氚分析进展与展望彭述明，周晓松，陈志林中国工程物理研究院核物理与化学研究所，四川绵阳621999摘要：氚是聚变堆的重要燃料，氚的问题是制约聚变能源发展的瓶颈问题之一。
氚化学中的科学技术问题是解决涉氚工艺的基础，氚分析测量是氚操作中获取氚信息的主要途径'本文综述了近年来氚化学与氚分析方面的研究进展，从氚与材料相互作用、涉氚材料中的氦行为、氚的氢同位素效应、氚的辐射生物效应，以及氚的分析测量方法五个方面对研究进展进行了分析，并对聚变堆中所面临的挑战进行了展望。
关键词：氚；氚化学；氚分析；聚变堆中图分类号：TL64；TL278文献标志码:A文章编号：0253-9950(2020)06-0498-15doi：10.7538/hhx.2020.YX.2020075Progress of Tritium Chemistry and Tritium AnalysisPENG Shu-ming,ZHOU Xiao-song,CHEN Zhi-linInstituteofNuclearPhysicsandChemistry&ChinaAcademyofEngineeringPhysics&Mianyang621999&ChinaAbstract:Tritium is the fuel of fusion reactor&and the issue about tritium is one of the most critical problems to be solved in fusion energy.It's very important to solve problems about bothscienceandtechnologyintritiumchemistrytosupportthedevelopmentoftritiumfacili-ty.Besides&tritium measurement is the main way to obtain the information about tritium in the facility.In t his article,we reviewed the progress about tritium chemistry and tritium analysis developed recent years&and also give a prospect about it.Key words：tritium；tritium chemistry；tritium analysis；fusion reactor氚既是国家重要战略物资，也是聚变堆的重要燃料。
Fe、C掺杂对铝中氦行为的影响的开题报告
本文要研究的问题是Fe、C掺杂对铝中氦行为的影响。
在铝合金中
添加Fe和C元素可以提高其强度和塑性，但同时也会影响其中的氦行为。
氦是一种非常小的原子，它可以在金属晶界和位错周围聚集，导致金属
的脆性增加和疲劳寿命的降低。
因此，研究Fe、C掺杂对铝中氦行为的
影响，对于了解铝合金的性能和优化其设计具有重要意义。
本文采用分子动力学模拟方法，研究Fe、C掺杂对铝中氦行为的影响。
首先，通过构建不同掺杂浓度的Fe、C掺杂铝模型，并在其中添加
不同浓度的氦原子，模拟其在不同温度和压力下的行为。
然后，通过分
析模拟结果，研究Fe、C掺杂对铝中氦行为的影响。
具体研究内容包括：掺杂浓度和氦含量对金属晶界和位错周围氦聚集的影响、掺杂对氦扩散
速率和扩散距离的影响、掺杂对氦团簇形成和稳定性的影响等。
研究结果将为铝合金的设计和优化提供重要的理论指导，揭示掺杂
元素和氦之间的相互作用机制。
同时，为了验证模拟结果的可靠性，本
文还需要与实验结果进行对比和分析。
例如，可以通过透射电子显微镜（TEM）等实验手段观察晶体结构和氦原子的分布，验证模拟结果的准确性。
总之，本文的研究对于深入了解铝合金中氦行为的机制和探索掺杂
元素对其影响具有重要的意义。
核聚变堆面向等离子体钨基材料氢氦效应的第一性原理研究刘长松;吴学邦;尤玉伟;孔祥山【摘要】钨基材料以其高熔点、高导热率、良好的抗中子辐照和抗溅射腐蚀等优异性能,被视为未来核聚变装置中最有前景的面向等离子材料.在聚变服役环境下,14MeV的高能中子以及低能氢/氦粒子流对钨基材料造成严重的辐照损伤.研究材料的辐照损伤与氢氦效应机理对揭示辐照引起材料微观结构与性能的变化以及探索开发新型抗辐照材料具有重要的意义.近年来,随着计算模拟技术的发展,多尺度模拟方法在聚变堆材料辐照损伤与氢氦效应机理研究方面有着广泛的应用.本文主要结合作者近几年的研究实践,介绍了第一性原理方法在钨中氢氦效应机理方面的一些进展,揭示了钨中基于空位和杂质的氢/氦泡级联成长机制,建立了过渡族合金元素与辐照点缺陷以及与氢/氦相互作用数据库,从而为高性能钨基材料合金化元素的筛选及其制备实践提供理论指导.【期刊名称】《安徽师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(039)004【总页数】8页(P307-314)【关键词】面向等离子体材料;钨;氢氦效应;辐照损伤;第一性原理【作者】刘长松;吴学邦;尤玉伟;孔祥山【作者单位】中国科学院固体物理研究所,中国科学院材料物理重点实验室,安徽合肥230031;中国科学院固体物理研究所,中国科学院材料物理重点实验室,安徽合肥230031;中国科学院固体物理研究所,中国科学院材料物理重点实验室,安徽合肥230031;中国科学院固体物理研究所,中国科学院材料物理重点实验室,安徽合肥230031【正文语种】中文【中图分类】O539引言随着传统化石能源的逐渐枯竭以及人类对能源需求的不断增长，能源问题已成为人类生存与发展的重大问题之一.核聚变能被认为是可以最终解决人类能源问题的重要途径之一.利用强磁场约束高温等离子体的托卡马克(Tokamak)是最有希望实现受控热核聚变反应的装置[1].由于其技术复杂和条件苛刻，磁约束托卡马克装置仍面临一些急需解决的关键问题.其中，聚变堆材料问题，尤其是面向等离子体材料(PFMs)，是制约托卡马克装置性能及其发展的关键问题之一[2].PFMs作为直接面对高温等离子体的第一壁、偏滤器等的护甲材料，其工作环境极其苛刻，遭受着高温、高热负荷、强束流粒子与中子辐照等综合作用.研究表明国际热核聚变实验堆(ITER)偏滤器要承受极高的热流(10-20MW/m2)，以及强束流(1022-1024m-2s-1)和低能(<100 eV)离子流的辐照[3].钨(W)以其高熔点、低溅射率和高热导率等优点而被视为未来聚变堆中最有前景的PFM[4-5].ITER和中国东方超环(EAST，中科院等离子体物理研究所)装置中已经使用纯钨作为偏滤器材料.然而，在聚变服役过程中，高能中子将对钨基材料造成严重辐照损伤，导致材料中产生大量的辐照缺陷(如空位和自间隙原子)以及由嬗变反应而产生的大量氢、氦等轻元素，进而对材料的结构与性能造成严重影响.此外，在强束低能氢/氦离子流辐照下，钨基材料的结构也会发生显著变化，如氢/氦聚集引起的起泡、肿胀、硬化、脆化等，导致PFM失效，威胁聚变堆的安全运行[4-5].大量实验研究表明，无论单晶钨还是多晶钨，在氢等离子体辐照下，材料表面都会发生起泡.甚至在低能辐照下，即入射离子的能量远低于它们打出一个空位所需的最低能量时，钨表面仍然产生起泡[6].相比于氢离子，氦离子对材料的辐照损伤更加严重.在氦离子辐照下材料表面出现的纳米丝状结构(文献上称之为Fuzz)会严重影响材料表面的物理和化学性质如热导率、机械性能等[7].近年来，研究发现钨纳米丝的形成与氦泡的融合长大和迁移相关[8].在低能氦离子辐照下，钨表面同样也观察到气泡[9].在氢氦离子和中子协同辐照下，材料的损伤比单一损伤更为严重，且发现钨中氦的沉积深度约为100?，而氢的沉积深度达几个微米[10].然而，关于钨中氢氦气泡的成核和长大、氢氦不同的沉积深度以及氢氦协同效应等微观机理，目前人们尚不清楚.在聚变服役工况条件下，材料同时受到高剂量离位损伤、氢氦效应以及嬗变效应的共同作用.因此，材料的辐照损伤效应是一个极其复杂的过程.材料的微观组织、结构缺陷、辐照剂量、氢/氦聚集、外加温度等多种因素共同决定材料的结构和宏观力学性能.单纯依赖现有的实验方法和检测技术，尚难以系统而全面地认识材料微观结构与宏观性能之间的内在联系，特别是实验上难以直接跟踪和探测原子尺度下缺陷的演化行为.借助现代先进的计算模拟技术来研究材料的辐照损伤微观机理已经成为另外一条重要的途径.多尺度模拟技术已广泛应用于钨基材料的相关研究中[11-13].其中：原子尺度的第一性原理方法研究材料中点缺陷/杂质原子的形成能、扩散路径与激活能、复合团簇的稳定性、聚集和解离行为、缺陷与界面间相互作用等性质；微观尺度的分子动力学模拟初级离位损伤的产生、级联位移过程、点缺陷的迁移和团聚、缺陷团簇的稳定性和迁移率、杂质/缺陷与位错/晶界之间的相互作用等；微观和介观尺度的蒙特卡洛方法和速率理论方法研究缺陷和位错的扩散、氢/氦杂质的长时间迁移、微结构的演化等；介观尺度的三维位错动力学方法研究材料微结构与宏观力学性能的对应关系；宏观尺度的连续介质力学和有限元等方法评估聚变堆各功能模块在实际运行环境中的表现.近年来，基于密度泛函理论的第一性原理方法已经成为材料辐照损伤机理研究的有力工具，其最大的特点是从最基本的热力学原理出发，以计算量子力学为手段，对体系能量、晶体结构、电子结构等进行无参数的精确计算.其计算过程不需要引入任何经验型参数，计算结构依靠能量准则或原子间力收敛准则.结合合理的物理和热力学模型，则可对材料的宏观物理与化学性质进行直接的理论预测[14].在模拟材料辐照损伤的微观物理机制，特别是杂质、空位、自缺陷原子之间及其与晶格之间的相互作用方面，第一性原理计算可以发挥很大的作用[12-13].例如：法国原子能委员会萨克莱研究所的Fu和Willaime等人系统研究了氦在α-Fe晶格中的溶解与扩散行为，获得了氦原子的最稳定间隙位、结合能、扩散路径和势垒等一系列重要参数，并进一步考虑了氦与空位团簇、自间隙原子的相互作用，考察了氦-空位复合团簇的稳定性规律，其理论结果能够很好地解释实验上氦的热脱附谱结果[15].北京航空航天大学吕广宏课题组系统研究了钨单晶和晶界中氢/氦行为，提出氢泡成核长大的空位捕获机制和应变诱导级联机制[16-17].本文主要介绍近年来我们课题组利用第一性原理方法研究钨中氢氦行为的一些进展，如钨中氢氦气泡的成核长大机制、氢溶解与扩散性质、合金元素-辐照缺陷-氢/氦之间相互作用等，来阐述第一性原理模拟技术在钨基材料辐照损伤研究中的重要作用.由于氢氦气泡的形成对金属材料的微结构与力学性能造成严重影响，因此，金属中氢氦气泡的形成机制是一个非常重要的研究课题.目前，关于氢氦气泡的成核与生长机制仍然不清楚.一般来说，气泡的形成需要存在一个过饱和区域，即成核点.金属材料中的固有缺陷(合金元素、杂质等)以及辐照缺陷(空位与自间隙)都可以作为其成核点.针对金属中氢氦气泡的成核和生长机制，目前大量的研究工作都集中在氢/氦与空位的相互作用上，而很少关注空位-氢或空位-氦团簇近邻钨原子的稳定性.人们发现钨中单空位最多可容纳氢原子的个数大约为10-12个[18]，而这些氢原子相对于氢气泡而言氢含量非常小.要想达到实验观察到的氢气泡，需要进一步认识从空位捕获氢原子到氢气泡形成长大的过程.基于第一性原理方法我们研究了钨中空位团簇的形成能力.图1是钨中两个空位之间的结合能随两者之间距离的变化关系曲线.由图可见，空位与空位之间是排斥作用，且空位之间的作用距离是7.5?.这表明空位之间很难自发聚集长大.此外，我们还研究了钨中单空位对氢/氦原子的捕获能力.研究发现单个钨空位可容纳12个氢原子.相比于氢，氦在钨空位中的捕获能更低，且单空位中可容纳14个氦原子，这意味着它更容易在单空位中聚集.虽然单空位中氢/氦很难聚集成泡，然而空位-氢和空位-氦复合体(Vac-Hn和Vac-Hen)则可能产生超量空位，从而导致氢/氦原子的聚集成核与长大.图2是钨中Vac-Hn和Vac-Hen复合体的近邻空位形成能随空位中氢氦原子数目之间的变化关系.由图可见，单空位中不含氢/氦时，其第一和第二近邻空位形成能分别为3.16eV和3.52eV.这表示单空位很难自发长大形成空位团簇或更大的空洞.然而，随着空位中氢/氦原子数目的增加，Vac-Hn和Vac-Hen 复合体的第一和第二近邻空位形成能逐渐下降.当n增加到9和4时，Vac-Hn和Vac-Hen复合体的第一和第二近邻空位形成能分别下降至负值.近邻空位形成能的急剧降低意味着复合体周围的空位格点极不稳定，易产生一个新空位从而演化成双空位-氢或双空位-氦复合体.该复合体可以继续捕获氢/氦原子导致三空位的产生.这样空位复合体进一步长大，而长大后的复合体再捕获氢/氦原子，复合体再长大再捕获，直至氢/氦气泡的形成.因此，氢/氮原子可以通过空位“捕获→长大→再捕获→再长大→…”的级联机制长大成泡.由于间隙氢/氦原子可以降低其近邻空位的形成能，因此上述机制可以定性解释实验上观察到的在低能氘/氦离子辐照下，钨表面仍然产生气泡的现象.此外，我们还研究了钨中主要间隙杂质原子(氧、碳和氮)对氢泡成核的影响[19].图3是钨中Vac-Hn复合体和Vac-LE-Hn复合体的缺陷形成能(LE为间隙杂质原子).由图可见，当n≤4时，Vac-LE-Hn复合体的形成能基本不变；当n>4时，复合体形成能随捕获H原子个数的增加而快速增大.特别对于Vac-O-Hn复合体，其缺陷形成能都小于空位形成能，且降低幅度较大，最小值为0.45eV.这些结果表明，空位中的间隙杂质原子能显著增加整个缺陷的热稳定性，这意味着其热平衡浓度增加.例如，钨中氢原子引入后，可以使体系中整体的空位浓度从10-54提高到10-39.但是氧和氮原子可以使空位浓度再次增大，特别是氧原子可以使空位浓度增大到10-7.由此可知，间隙杂质原子的引入能显著增加空位浓度，使得氢捕获点增多，从而增大氢滞留量.因此，杂质可以进一步促进空位诱捕氢/氦原子的能力，最终形成氢/氦泡.钨中氢同位素滞留问题是面向等离子材料研究领域的热点之一.氢滞留会引起材料的氢脆、起泡、肿胀等问题，导致PFM失效.同时，氚价格昂贵且具有放射性，大量滞留在PFM 中还会造成燃料的损失和对周围环境潜在的放射性危害.因此研究钨中氢滞留行为并寻找有效抑制氢滞留的方法对实现可控热核聚变具有重要意义.为了研究钨中的氢滞留行为，首先需要了解钨中氢溶解和扩散性质.溶解度和扩散系数作为两个最基本的物理参数，它决定了氢在钨中的溶解系数和复合系数.关于钨中氢的溶解度，目前实验数据较少，且由此得到的激活能数据相差较大(变化区间为0.03-1.04eV)[20-23].此外，钨中氢的扩散系数实验数据也十分有限.基于氢脱气与渗透实验，人们获得了钨中较高温度区间(850-2500K)氢的扩散系数[20,22,24-26].近年来，基于氚示踪技术，研究人员获得了较低温度区间(298-673K)氢的扩散系数[23,27-29].目前，虽然人们已经获得了一些氢溶解度和扩散系数的实验数据，但是由于所用实验方法的不同，所获得的溶解能与扩散激活能数据往往差别很大.此外，由于钨中氢溶解度较低且表面捕获效应严重，这使得实验上很难精准地测量其扩散系数，特别是低温端数据.基于第一性原理方法，我们研究了钨中氢的扩散和溶解性质，并采用准简谐近似方法考察了温度对其影响规律[30].图4是钨中氢的溶解能和扩散激活能随温度的变化关系图.由图4(b)可见，随着温度的升高，位于四面体和八面体位置的氢溶解能逐渐降低，这表明氢的溶解随温度的上升变得更加容易.相对于八面体位置，四面体位置氢的溶解能更低；且随温度升高，其降低速率快于八面体位置.这意味着随着温度的升高，四面体位置的氢更加稳定.由图4(c)可见，钨中氢的两个扩散路径(路径1：四面体间隙跃迁到第一近邻四面体位置；路径2：四面体间隙跃迁到第二近邻四面体位置)的扩散激活能随温度的升高逐渐增大.相比路径2，路径1的激活能要小，且在高温下两者的差值越来越大.这表明随着温度的升高，钨中氢在近邻四面体间隙之间的扩散所需能量值逐渐增加，且路径1为氢的优先扩散路径. 基于Sievert定律我们计算出300-2700K温度范围内氢的溶解度，如图5(a)所示.由图可见，氢的溶解度与温度的依赖关系近似遵从Arrhenius关系式.拟合得到的指数前因子和激活能分别是9.9×10-3和1.25eV，与Frauenfelder的实验结果几乎一致[20].然而，计算得到的氢溶解度数值相对于Benamati的实验结果(850-885K)则要低3个数量级[24].这表明该温度范围内材料中的缺陷如空位、位错和晶界可能对氢滞留量起主导作用.此外，基于Wert-Zener模型和过渡态理论我们也计算出300-2700K内氢的扩散系数，如图5(b)所示.通过考虑温度效应并基于随温度变化的激活能数值，计算所获得的扩散系数在高温侧(>1500 K)与Frauenfelder等人的实验值一致[20].这表明通过计算模拟，人们可以准确描述钨中间隙氢的扩散性质.然而，在低温测(<1500K)，计算值明显要高于实验值，且不同的实验数据之间存在很大差异.这些结果表明低温下氢的扩散很大程度上受到缺陷捕获效应的影响，即低温下空位、位错和晶界等缺陷通过捕获氢、阻滞氢的扩散进而降低氢的扩散系数.因此，我们对低温端氢的扩散系数进行缺陷捕获效应的修正.基于氢的热脱附谱实验结果，我们主要考虑两种类型的缺陷：一类是溶质、位错、界面等，它们可作为氢的弱捕获点，捕获能约为0.5eV；另一类是空位等，它可作为氢的强捕获点，捕获能约为1.3eV.有意义的是，由弱捕获效应修正后的氢扩散系数与300-600K范围内的实验数据一致；而强捕获效应修正后的扩散系数与800-1200K范围内的实验数据一致，如图5(b)所示.这些结果充分表明材料中的缺陷如杂质、空位等严重影响氢在300-1200K温度区间的扩散行为.合金化被认为是提高钨基材料性能的一种重要途径，同时钨在中子辐照下会嬗变一些新元素如铼、锇等.这些合金/嬗变元素不可避免地要与辐照缺陷、氢/氦等之间相互作用，影响它们的聚集与扩散性质，进而改变材料的性能.因此，研究合金/嬗变元素与辐照缺陷以及与氢氦之间的相互作用显得尤为重要.在中子辐照下，材料中主要产生空位型和间隙型两类辐照缺陷.这些缺陷会向捕获阱(位错、晶界、表面等)处扩散、聚集，进而复合.然而，钨中空位的扩散系数要远远小于间隙扩散系数，这样导致间隙型缺陷会迅速扩散到捕获阱中，从而聚集形成间隙位错环、表面疤等；同时大量的空位在材料内部滞留聚集成空洞.基于第一性原理，我们首先研究了过渡族合金元素(3d:Ti-Cu，4d：Zr-Ag，5d:Hf-Au)在钨中的溶解性质[31].研究结果表明周期表中IVB、VB和VIB 族元素不倾向于在钨块体内聚集；而VIIB、VIII、IB和IIB 族元素倾向于在块体内聚集，形成团簇.通过研究钨中过渡族元素与空位及与自间隙原子之间的结合能，我们发现过渡族合金元素与钨中的空位和自间隙<111>挤列子之间大都相互吸引，且过渡族元素与空位的结合能远小于其与间隙原子之间的结合能[31].由此，我们推测过渡金属合金原子能够通过与空位协同扩散的方式，促进空位扩散，同时也能钉扎间隙型缺陷，阻碍间隙扩散.因此，合金元素可以缩小空位和间隙之间的扩散系数差异，提高缺陷复合几率，降低辐照缺陷浓度，从而提高材料的抗辐照性能.在研究合金元素与点缺陷相互作用规律过程中，我们发现具有较大电负性的溶质原子倾向与空位结合，而具有较小金属半径的溶质原子倾向与自间隙结合.电子相互作用在溶质原子与空位相互作用中起主导因素；而弹性相互作用控制着溶质原子与自间隙间的相互作用.此外，计算获得的合金元素与点缺陷相互作用数据库，主要包括多种缺陷簇的稳态亚稳态缺陷构型及其能量学基本参数(形成能、结合能、作用半径等)和动力学基本参数(扩散机制、扩散激活能以及扩散系数等)，可作为更高时间和空间尺度计算模拟的输入参数(如蒙特卡洛，速率理论等).基于第一性原理方法，我们研究了过渡族合金元素对钨中氢/氦的溶解和扩散性质的影响[32-34].图6是钨中过渡族元素与氢/氦之间的结合能.由图可见，除了Re 和Os两种元素外，其它合金元素与氢/氦之间的结合能都为正值，这表明合金元素与氢/氦之间是相互吸引的.此外，对于3d、4d和5d族元素，随着原子序数的增加，它们与氢/氦之间的结合能都展现出相同的“波浪型”变化趋势.整体上，合金元素与氦之间的结合能远大于其与氢的结合能，且3d族元素与氢/氦结合能大于4d和5d族元素.这表明合金元素对氦的捕获效应更强；相对于4d和5d族元素，3d族元素对氢/氦具有更强的捕获效应.此外，我们还探讨了钨中常见合金元素Re、Os、Ta、Ti、V和Hf对氢扩散行为的影响.图7是纯钨以及常见钨合金中氢扩散系数随温度的变化关系图[34]，合金元素浓度设为104appm.由图可见，Re和Os对氢扩散没有明显影响，Ta略微降低氢的扩散系数，而Ti、V和Hf会显著降低氢的扩散系数.因此，一方面，合金元素可作为氢的捕获点，降低体系中氢的扩散系数，导致氢滞留量增大.另一方面，合金元素能缩小钨中空位与自间隙之间的扩散系数差别，提高缺陷的复合概率，降低缺陷密度，进而减小氢滞留量.该理论结果可以很好解释近期的一些实验现象.在W-Ta合金的氘滞留实验中，人们发现在低能低离子通量的氘等离子辐照下，W-Ta合金中的氘滞留量远大于纯W体系[35]；而在低能高离子通量辐照下，W-Ta合金中的氘滞留量则远小于纯W体系[36].这是因为，在低离子通量辐照下，材料中固有缺陷对氘的滞留量起主导作用.由于合金元素Ta可作为氘的捕获点，因此合金元素的引入会使得材料中氘捕获点的增多，导致氘滞留量的增加.然而，在高离子通量辐照下，材料中辐照缺陷浓度远大于固有缺陷.这时，辐照缺陷对氘的滞留量起主导作用，而Ta的引入能够降低材料中的辐照缺陷浓度，使得合金中氘滞留量低于纯钨.为了揭示钨中合金元素与氦之间相互作用的内在本质，我们考察了合金元素与氦的结合能与其电子结构之间的关联性.图8是钨中替代位合金元素与He的结合能随相对电荷密度之间的变化关系图[32-33].由图可见，合金原子与He之间的结合能正比于He原子所在位置的电荷密度，即He更易在电荷密度较低处聚集.此外，还发现Re、Ta、Mo、Nb、Os与Tc等元素与氦之间结合能的数值较低，这表明这些元素对氦的捕获效应比较弱.扩散计算表明Re/Ta处He的迁移与扩散行为几乎不受影响；而Os，Ti和V对He有明显的捕获作用，阻碍氦的扩散.综合分析钨中合金元素与氢/氦之间相互作用，我们认为相对于其他元素，Re和Ta更合适作为钨的潜在合金元素，且Ta的引入可以调节中子辐照下钨基材料中Re和Os的浓度.必须指出，上述理论计算结果对高性能钨合金的设计提供了新思路，但是，还需要精确设计实验来考察合金材料在聚变环境下的服役性能，从而确保材料具有良好的力学与抗辐照性能.近十多年来，随着并行计算科学与技术的迅速发展，第一性原理计算方法已经成为核聚变堆中等离子体与壁材料相互作用研究领域的一个可靠的理论手段，它可准确描述材料在辐照下产生的纳米量级缺陷的结构，辐照缺陷或缺陷团簇之间的短程相互作用，以及它们的迁移路径，而实验上很难探测该尺度下材料中辐照缺陷的结构及其演化行为.通过研究与评估材料辐照损伤行为，第一性原理方法往往能揭示出材料在不同温度与辐照剂量下的损伤机制.本文主要结合作者近几年的研究实践，简要介绍了第一性原理方法在钨中氢氦气泡的成核长大机制、氢溶解与扩散性质以及合金元素-辐照缺陷-氢/氦之间相互作用等方面的一些进展.然而，第一性原理方法也存在一些不足：1)模拟体系较小，通常只有100-200个原子.2)无法考察温度效应，目前大部分第一性原理计算都是在0 K下模拟的，需要发展合适的热力学模型来预测材料在室温或更高温度下的结构与性质.3)很难处理缺陷的团簇行为如结构稳定性与扩散性质.当体系中的缺陷团簇较大时，找到最稳定的团簇构型将变得非常困难，处理团簇的扩散性质也变得更加复杂.因此，迫切需要发展贯穿微观-介观-宏观时空尺度的多尺度模拟程序，来研究材料在聚变环境下的结构演化特征与性能变化规律，揭示材料力学性能降级或失效的机理，为聚变堆材料的筛选、研发与服役性能的评估提供理论指导.【相关文献】[1] 李建刚.托卡马克研究的现状及发展[J].物理,2016,45:88-97.[2] 吕广宏,罗广南,李建刚.磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展 [J].中国材料进展,2010,29:42-48.[3] ZINKLE S J, SNEAD L L, Designing radiation resistance in materials for fusion energy[J]. Annu Rev Mater Res, 2014,44:241-267.[4] RIETH M, DUDAREV S L, GONZALEZ de VICENTE S M, et al. Recent progress in research on tungsten materials for nuclear fusion applications in Europe[J]. J Nucl Mater, 2013,432(1-3):482-500.[5] WURSTER S, BALUC N, BATTABYAL M, et al. Recent progress in R&D on tungsten alloys for divertor structural and plasma facing materials[J]. J Nucl Mater, 2013,442(1-3):S181-S189.[6] SHU WM, KAWASUSO A, YAMANISHI T. Recent findings on blistering and deuterium retention in tungsten exposed to high-fluence deuterium plasma[J]. J Nucl Mater, 2009,386-388:356-359.[7] KAJITA S, SAKAGUCHI W, OHNO N, et al. Formation process of tungsten nanostructure by the exposure to helium plasma under fusion relevant plasma conditions[J]. Nucl Fusion, 2009,49:095005.[8] ITO A M, TAKAYAMA A, ODA Y, et al. Molecular dynamics and Monte Carlo hybrid simulation for fuzzy tungsten nanostructure formation[J]. Nucl Fusion, 2015,55:073013. [9] YOSHIDA N, IWAKIRI H, TOKUNAGA K, BABA T, Impact of low energy helium irradiation on plasma facing metals[J]. J Nucl Mater, 2005,337-339:946-950.[10] HENRIKSSON K O E, NORDLUND K, KRASHENINNIKOV A, KEINONEN J, The depths of hydrogen and helium bubbles in tungsten: a comparison[J]. Fusion Science and Technology, 2006,50:43-57.[11] WIRTH B D, HAMMOND K D, KRASHENINNIKOV S I, MAROUDAS D, Challenges and。
化学链过程铁基载氧体的研究进展作者：陈世豪郭雪岩来源：《能源研究与信息》2024年第02期摘要：在化学链过程中，载氧体通过晶格氧的生成和释放避免了燃料和氧气的直接接触，降低了分离的成本，故其在化学链反应中起到重要的作用。
铁基载氧体因成本低、环境友好的特性成为一种有吸引力的选择。
总结了铁基载氧体在化学链过程中的相关研究。
活性氧化铁因其较低的还原能力通常需要掺杂其他金属，目前主要采用碱性金属（Na、K、Ca）和过渡金属（Cu、Co、 Ni 等）来进行改性。
研究的重点是复合金属载氧体（钙钛矿、铁酸盐、六铝酸盐、CeO2型载氧体等），其中钙钛矿型载氧体传氧能力优异，热稳定性和机械强度高，因此以不同的 A/B 位离子取代，或将钙钛矿与其他材料复合成为近年来的研究热点。
关键词：化学链；铁基载氧体；钙钛矿；复合载氧体中图分类号： TK91 文献标志码： AResearch progress on iron-based oxygen carriers in chemical looping processCHEN Shihao ，GUO Xueyan（School of Energy and Power Engineering， University of Shanghai for Science and Technology， Shanghai 200093， China）Abstract：Solid oxygen carriers are usually used in a chemical looping process to transfer oxygen from the oxygen gaseous to fuel， which can avoid the direct contact of these two reactants and hence decrease the energy penalty of separation. Among the solid oxygen carriers， iron-based oxygen carrier is an attractive option due to its inherent properties of low cost and environmentally- friendly. The research of iron-based oxygen carriers in chemical looping was summarized. Due to the low reduction ability of active iron oxide， it usually is doped with other metals such as alkali metals （Na， K， Ca） and transition metals （Cu， Co， Ni， etc.） for modification. The research of oxygen carriers recently focuses on composite metal oxygen carriers such as perovskite， ferrite，hexaaluminate， CeO2-type oxygen carriers， etc. Among them， the perovskite has excellent oxygen transfer ability， great thermal stability， and high mechanical strength. Substituting with different A/B-sites ions or combining with other materials recently has become a hot topic of perovskite.Keywords：chemical looping; iron-based oxygen carriers; perovskite; composite oxygen carriers在当前新兴的 CO2捕集技术中，化学链燃烧（CLC）是一种特别有前途的方法［1–2］。
精密成形工程第15卷第12期表面改性技术研究现状甘国强1，韩震2，鲍建华1，WOLFGANG Pantleon3（1.合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥 230009；2.中国兵器科学研究院宁波分院，浙江宁波 315000；3.丹麦技术大学，哥本哈根 2800）摘要：SiC颗粒增强铝基复合材料因具有高的比强度、比刚度、耐磨性及较好的高温稳定性而被广泛应用于航空航天、电子、医疗等领域，但由于SiC颗粒高熔点、高硬度的特点以及SiC颗粒与铝基体间存在界面反应，碳化硅铝基复合材料存在加工性差、界面结合力不足等问题，已无法满足航天等领域对材料性能更高的要求，因此开展如何改善基体与颗粒之间界面情况的研究对进一步提升复合材料综合性能具有重要的科学意义。
结合国内外现有研究成果，总结了SiC颗粒与铝基体界面强化机制、界面反应特点、表面改性技术原理及数值建模的发展现状，结果表明，现有经单一表面改性方法处理后的增强颗粒对铝基复合材料性能的提升程度有限，因此如何采用新的手段使复合材料性能进一步提升将成为后续研究热点，且基于有限元数值模拟方法进行复合材料设计也是必然趋势。
最后针对单一强化性能提升有限的问题，提出了基于表面改性的柔性颗粒多模式强化方法，同时针对现有的技术难点展望了后续的研究方向，以期为颗粒增强复合材料的制备提供理论参考。
关键词：碳化硅颗粒；表面改性；复合材料；模拟；界面DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.12.008中图分类号：TB333 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)012-0058-10Research Status of Particle Interface Modification Technology for Silicon CarbideParticle Reinforced Aluminum Matrix CompositesGAN Guo-qiang1, HAN Zhen2, BAO Jian-hua1, WOLFGANG Pantleon3(1. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;2. Ningbo Branch of China Academy of Ordnance Science, Zhejiang Ningbo 315000, China;3. Technical University of Denmark, Copenhagen 2800, Denmark)ABSTRACT: SiC particle reinforced aluminum matrix composites are widely used in aerospace, electronics, medical and other fields due to their excellent properties such as high specific strength, high specific stiffness, high wear resistance, and high tem-perature stability. However, due to the high melting point and high hardness of SiC particles, as well as the interface reaction between silicon carbide reinforced particles and aluminum matrix, SiC aluminum matrix composites have problems such as poor收稿日期：2023-09-03Received：2023-09-03基金项目：安徽省重点研究与开发计划（JZ2022AKKG0100）Fund：Anhui Provincial Key Research and Development Project (JZ2022AKKG0100)引文格式：甘国强, 韩震, 鲍建华, 等. 碳化硅颗粒增强铝基复合材料颗粒表面改性技术研究现状[J]. 精密成形工程, 2023, 15(12): 58-67.GAN Guo-qiang, HAN Zhen, BAO Jian-hua, et al. Research Status of Particle Interface Modification Technology for Silicon第15卷 第12期 甘国强，等：碳化硅颗粒增强铝基复合材料颗粒表面改性技术研究现状59processability and insufficient interfacial adhesion. It is no longer possible to meet the requirements for material performance in fields such as national defense and aerospace. Therefore, studying the ways to improve the interface between particles and ma-trix is of great scientific significance for improving the comprehensive performance of composite materials. In combination with existing research results at home and abroad, the interface strengthening mechanism, interface reaction characteristics, existing surface modification technology principles and numerical simulation development status of SiC reinforced particles and alumi-num matrix composites were summarized. The results showed that the performance improvement of reinforced particle alumi-num matrix composites after strengthening was limited after being treated with a single surface modification method. Therefore, how to adopt new methods to improve the performance of composite materials will become a hot research topic in the future, and the design of composite materials based on finite element numerical simulation methods is also an inevitable trend. Finally, in response to the limited improvement of single strengthening performance, the author proposes a flexible particle multimodal strengthening method based on surface modification, and looks forward to future research directions in response to existing technical difficulties, hoping to provide theoretical reference for the preparation of particle reinforced composite materials. KEY WORDS: SiCp; surface modification; composite material; simulation; interface碳化硅颗粒增强铝基复合材料是以碳化硅颗粒（SiCp ）作为增强相，以铝或铝合金作为基体的一种复合材料，因具有密度和价格成本低、高温性能良好、耐腐蚀耐磨及比强度和比弹性模量高等特点，已成为热门的新型结构材料之一，现已广泛应用于航空航天、电子、汽车及体育等多个领域，如汽车刹车盘、发动机缸体活塞等结构件中。
金属元素掺杂α-Fe(N)体系的电子结构及力学性能的第一性原理计算刘香军;杨吉春;贾桂霄;杨昌桥;蔡长焜【摘要】基于第一性原理研究M(M=Ti,V,Cr,Mn,Co和Ni)掺杂α Fe(N)的结合能、电子结构及力学性能.计算结果表明,Ti和V优先占据晶胞的顶角位置,Cr和Mn优先占据晶胞的体心位置,Co和Ni与N不相邻时结构最稳定.Ti与V的掺杂加强了晶胞的稳定性,Cr,Mn与Ni的掺杂削弱了晶胞的稳定性,Co的掺杂不影响晶胞的稳定性.这些过渡金属在α-Fe晶胞中均存在金属键和离子键的共同作用,成键轨道主要来自M3d,Fe4s3p3d与N2p.与纯α-Fe体系相比,掺杂体系刚性均变强,经计算可得α-Fe(N)-V体系的弹性模量E、剪切模量G和体积模量B均为最大值,即掺杂V可显著提高材料的力学性能,V是最有效的固氮元素,与高氮钢冶炼的实验结果相吻合.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2019(047)009【总页数】6页(P72-77)【关键词】第一性原理;高氮钢;电子结构;弹性常数【作者】刘香军;杨吉春;贾桂霄;杨昌桥;蔡长焜【作者单位】内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学工业技术研究院,内蒙古包头014010;内蒙古科技大学材料与冶金学院,内蒙古包头014010【正文语种】中文【中图分类】TG146N对钢材性能有着显著的影响，如强度、硬度均随N含量的增加而提高，韧性却不降低[1]。
同时N还能提升高氮钢的抗摩擦、抗腐蚀能力[2-4]。
由于常压下N 在钢液中的溶解度很低[5]，通常采用高压充氮[6]和添加固溶金属氮化物的方法[7-9]来提高N在钢中的溶解度。
但高压充氮对设备的要求高、成本大，因此添加固溶金属氮化物(如Cr, Mn, Mo和V等的氮化物)来提高钢中氮含量是一种经济合理的有效方法。
