發(fā)布時間：2018-10-24 20:59

【摘要】：在核反應過程中,堆芯結構材料在高強度的輻照下產生的空位和間隙會隨時間演變成缺陷團簇、位錯和晶界,最終導致材料腫脹、高溫晶界脆化、表面粗化和起泡,從而力學性能降低。所以,研發(fā)能夠適應核能系統(tǒng)發(fā)展的抗輻照材料是有必要的。石墨烯以其良好性能使有的石墨烯復合材料具有卓越的性質和廣闊的應用前景。有研究表明,金屬-石墨烯層狀復合材料中的石墨烯可以阻礙位錯的擴展,因而銅-石墨烯層狀復合材料可能具有良好的抗輻照性。為了全面了解金屬-石墨烯層狀復合材料的抗輻照性能,需要深入研究金屬/石墨烯/金屬界面附近的點缺陷行為。本文采用第一性原理,利用VASP軟件包,研究了金屬/石墨烯/金屬界面附近點缺陷的形成和遷移行為。主要內容和結論如下:1.采用第一性原理研究了銅/石墨烯/銅層狀復合材料(Cu/Gr/Cu)中點缺陷的特性,并與本征石墨烯和純銅中的點缺陷比較,分析了石墨烯對點缺陷行為的影響范圍及其影響機理。計算結果表明Cu/Gr/Cu中的碳空位形成能較本征石墨烯的空位形成能偏小。界面處的銅和碳間隙都是在fcc間隙位置最穩(wěn)定。Cu/Gr/Cu界面對銅間隙原子的影響遠大于對碳間隙原子的影響,銅的點缺陷會被界面捕獲,且界面對銅缺陷的捕獲范圍約為15?。2.采用CI-NEB方法計算了Cu/Gr/Cu中點缺陷的遷移機制。結果表明:Cu/Gr/Cu中的碳空位遷移能壘較本征石墨烯要小。界面附近的銅空位可能朝著界面中心遷移。銅和碳間隙在最穩(wěn)定的倆近鄰fcc間隙位置之間的遷移需經過hollow位置。銅間隙原子在界面中比在純銅中更容易遷移。3.采用第一性原理研究了鎳/石墨烯/鎳層狀復合材料(Ni/Gr/Ni)中點缺陷的特性。計算結果表明碳空位的形成能在Ni/Gr/Ni中比在本征石墨烯中顯著降低。界面處鎳間隙在hollow位置最穩(wěn)定。相對于碳間隙原子,鎳間隙原子受到界面的影響更為明顯。界面可以捕獲鎳的空位和間隙,且對鎳點缺陷的捕獲范圍約為12.5?。4.采用CI-NEB方法計算了Ni/Gr/Ni中點缺陷的遷移機制。結果表明:Ni/Gr/Ni中的碳空位遷移較本征石墨烯中更難。鎳間隙在兩個近鄰hollow間隙位置之間的遷移時,可能會經過fcc位置跳躍到近鄰的hollow位置,或者直接在兩近鄰hollow間隙位置間遷移。鎳間隙原子在界面中比在純鎳中更難遷移。5.對于Cu/Gr/Cu和Ni/Gr/Ni,雖然碳空位的形成能在兩種復合結構中都低于本征石墨烯的空位形成能,但兩者的原因是不同的。金屬-石墨烯復合結構中不同金屬對碳空位遷移的影響也不同。在Cu/Gr/Cu中,最穩(wěn)定的間隙位置是fcc位置,而在Ni/Gr/Ni中,最穩(wěn)定的間隙位置則是hollow位置。兩種金屬-石墨烯復合結構的界面對碳間隙的影響很小,但對金屬的點缺陷具有很強的捕獲作用,缺陷被捕獲湮滅,導致缺陷減少,從而證實了金屬-石墨烯復合材料的抗輻照能力。
[Abstract]:During the process of nuclear reaction, the vacancies and gaps produced by the core structure materials under high intensity irradiation will evolve over time into defect clusters, dislocations and grain boundaries, resulting in material swelling, high temperature grain boundary embrittlement, surface coarsening and foaming. As a result, the mechanical properties are reduced. Therefore, it is necessary to develop anti-radiation materials that can adapt to the development of nuclear energy systems. Some graphene composites have excellent properties and wide application prospects because of their good properties. Some studies have shown that graphene in metal-graphene laminated composites can hinder the expansion of dislocation, therefore, Cu-graphene laminated composites may have good radiation resistance. In order to understand the radiation resistance of metal-graphene laminated composites, it is necessary to study the point defect behavior near the metal / graphene / metal interface. In this paper, the formation and migration behavior of point defects near the metal / graphene / metal interface are studied by using the first principle and VASP software package. The main contents and conclusions are as follows: 1. The characteristics of point defects in copper / graphene / copper laminated composites (Cu/Gr/Cu) were studied by first principle. Compared with the point defects in graphene and pure copper, the influence range and mechanism of graphene on the behavior of point defects were analyzed. The results show that the formation energy of carbon vacancy in Cu/Gr/Cu is smaller than that of graphene. The effect of Cu/Gr/Cu interface on copper interstitial atoms is much greater than that on carbon interstitial atoms, and the point defects of copper are trapped by the interface, and the trapping range of copper defects at the interface is about 150.2. The migration mechanism of point defects in Cu/Gr/Cu is calculated by CI-NEB method. The results show that the carbon vacancy migration barrier in Cu/Gr/Cu is smaller than that in intrinsic graphene. The copper vacancy near the interface may migrate towards the interface center. The migration of copper and carbon gap between the most stable two nearest neighbors of fcc is required to pass through the hollow position. Copper interstitial atoms are easier to migrate at the interface than in pure copper. The characteristics of point defects in nickel / graphene / nickel layered composites (Ni/Gr/Ni) were investigated by first principles. The results show that the formation of carbon vacancy in Ni/Gr/Ni is significantly lower than that in intrinsic graphene. The nickel gap at the interface is the most stable in the hollow position. Compared with the carbon gap atom, the nickel gap atom is affected more obviously by the interface. The interface can capture the vacancy and gap of nickel, and the trapping range of nickel point defects is about 12.5. 4. The migration mechanism of point defects in Ni/Gr/Ni is calculated by CI-NEB method. The results show that the migration of carbon vacancies in Ni/Gr/Ni is more difficult than that in graphene. When the nickel gap migrates between the two adjacent hollow gap positions, it may jump through the fcc position to the nearest neighbor hollow position, or move directly between the two nearest neighbor hollow gap positions. Nickel interstitial atoms are more difficult to migrate at the interface than in pure nickel. For Cu/Gr/Cu and Ni/Gr/Ni, the formation energy of carbon vacancy is lower than that of graphene, but the reasons are different. The effect of different metals on the migration of carbon vacancy is also different in the metal-graphene composite structure. In Cu/Gr/Cu, the most stable gap position is the fcc position, while in Ni/Gr/Ni, the most stable gap position is the hollow position. The interface of two kinds of metal-graphene composite structure has little influence on the carbon gap, but it has a strong trapping effect on the point defect of the metal, and the defect is captured and annihilated, which leads to the reduction of the defect. Therefore, the radiation resistance of metal-graphene composite was confirmed.
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TB33

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本文編號：2292541