本文選題：鋯-氫體系　切入點(diǎn)：第一性原理　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年碩士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：鋯合金不僅是優(yōu)異的核燃料包殼材料,還具有很好的儲(chǔ)氫性能,核能的生產(chǎn)及氫能的儲(chǔ)存都與鋯合金緊密相關(guān)。鋯合金作為包殼材料在服役中容易發(fā)生氫脆,造成巨大損失,解決其氫脆問題一直是科學(xué)家們的研究重點(diǎn)。深入研究氫與鋯之間的相互作用,無論對于鋯的氫脆問題的解決還是鋯基儲(chǔ)氫材料的發(fā)展都具有重要價(jià)值。本文基于第一性原理方法研究了鋯-氫體系的晶體結(jié)構(gòu)、能量性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)及原子擴(kuò)散性質(zhì),并從電子層次對這些性質(zhì)進(jìn)行了解釋,從微觀上研究氫與鋯作用的機(jī)理。確定鋯-氫晶體結(jié)構(gòu)模型是進(jìn)行各類性質(zhì)計(jì)算的基礎(chǔ),因此首先對氫在鋯晶體中的占位進(jìn)行了模擬研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn):無論在α-Zr晶體還是β-Zr晶體中,晶格畸變程度與氫含量正相關(guān),氫含量相同時(shí),氫原子在四面體間隙時(shí)的晶格畸變程度都大于八面體間隙;但是,氫原子在四面體間隙時(shí)的溶解熱小于八面體間隙,因此,氫原子傾向于占據(jù)在四面體間隙位置。電子結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn):氫原子的作用具有局域性,改變了近鄰鋯原子的態(tài)密度,氫近鄰α-Zr原子的4p軌道及β-Zr原子4d軌道的部分電子會(huì)向氫的1s軌道轉(zhuǎn)移,雜化成鍵;氫降低了α-Zr晶體中的鋯原子間鍵強(qiáng)度,存在弱鍵效應(yīng),提高β-Zr晶體中的鋯原子間鍵強(qiáng)度,存在強(qiáng)鍵效應(yīng)。對鋯-氫體系中氫原子擴(kuò)散行為的研究發(fā)現(xiàn):在α-Zr晶體中,氫的擴(kuò)散具有各項(xiàng)異性,沿基面的擴(kuò)散激活能小于沿c軸的擴(kuò)散激活能,已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,在基面上沿T-T路徑擴(kuò)散,在不同原子層間擴(kuò)散時(shí)則沿著T-O-T路徑擴(kuò)散;在β-Zr晶體中,氫原子會(huì)在近鄰四面體間隙之間直接直線擴(kuò)散,在次近鄰四面體間隙間擴(kuò)散時(shí)則需要經(jīng)過中間的八面體間隙。在空位擴(kuò)散機(jī)制基礎(chǔ)上對鋯原子自擴(kuò)散行為研究發(fā)現(xiàn):氫原子的加入使得α-Zr中空位形成能及鋯原子自擴(kuò)散激活能都降低,促進(jìn)了鋯原子的自擴(kuò)散;β-Zr晶體中空位形成能提高、鋯原子自擴(kuò)散激活能降低,即雖然空位變的難以形成但最終還是促進(jìn)了鋯原子的自擴(kuò)散。對鋯-氫體系的表面能、彈性模量、拉伸與壓縮力學(xué)性能進(jìn)行了模擬。對表面能的研究發(fā)現(xiàn):氫原子降低了α-Zr晶體基面及棱柱面的表面能,使表面穩(wěn)定性增加。提高了β-Zr晶體{100}及{110}面的表面能,降低了表面穩(wěn)定性。對彈性模量及應(yīng)力-應(yīng)變曲線的研究發(fā)現(xiàn):氫降低了α-Zr晶體的楊氏模量、剪切模量、體模量,并且使塑性指標(biāo)G/B減小,發(fā)生軟化。降低了α-Zr晶體沿c軸方向的單向理論抗拉與抗壓強(qiáng)度,反映了氫原子的弱鍵效應(yīng)。氫提高了β-Zr晶體的楊氏模量、剪切模量、體模量,使G/B增大,發(fā)生硬化。提高了β-Zr晶體的力學(xué)穩(wěn)定性,使其單向理論抗拉強(qiáng)度提高,抗壓縮能力也提高,體現(xiàn)了氫原子對β-Zr晶體的強(qiáng)鍵效應(yīng)。
[Abstract]:Zirconium alloy is not only an excellent nuclear fuel cladding material, but also has good hydrogen storage performance. The production of nuclear energy and the storage of hydrogen energy are closely related to zirconium alloy. Zirconium alloy as a cladding material is prone to hydrogen embrittlement in service, resulting in huge losses. Solving the hydrogen embrittlement problem has always been the focus of scientists. Both the hydrogen embrittlement problem of zirconium and the development of zirconium based hydrogen storage materials are of great value. In this paper, the crystal structure, energy properties, mechanical properties and atomic diffusion properties of zirconium hydrogen system are studied based on the first principle method. The mechanism of the interaction between hydrogen and zirconium is studied microscopically. The crystal structure model of zirconium and hydrogen is the basis for the calculation of all kinds of properties. The results show that the degree of lattice distortion in 偽 -Zr crystal and 尾 -Zr crystal is positively correlated with the hydrogen content, and the hydrogen content is the same as that in 偽 -Zr crystal and 尾 -Zr crystal. The lattice distortion of hydrogen atoms in tetrahedron gap is greater than that in octahedral gap, but the solution heat of hydrogen atom in tetrahedron gap is smaller than that in octahedral gap. Hydrogen atoms tend to occupy the position in tetrahedron gap. The electronic structure analysis shows that the action of hydrogen atoms is localized, which changes the density of states of the nearest zirconium atoms. The 4p orbital of 偽 -Zr atom and the 4d orbital of 尾 -Zr atom transfer to the 1s orbital of hydrogen, and hydrogen decreases the bond strength of zirconium atom in 偽 -Zr crystal, and there is a weak bond effect, which increases the bond strength of zirconium atom in 尾 -Zr crystal. There is a strong bond effect. The diffusion behavior of hydrogen atoms in zirconium hydrogen system is studied. It is found that in 偽 -Zr crystal, the diffusion activation energy along the base plane is smaller than that along the c axis, and the experimental results are consistent. It diffuses along T-T path on the base plane and along the T-O-T path when diffused between different atomic layers. In 尾 -Zr crystal, the hydrogen atom diffuses in a straight line between the near tetrahedron gap. On the basis of vacancy diffusion mechanism, the self-diffusion behavior of zirconium atoms is studied. It is found that the addition of hydrogen atoms makes the formation energy of vacancies and zirconium atoms in 偽 -Zr. The self-diffusion activation energy decreases, The vacancy formation energy in 尾 -Zr crystal is increased, and the self-diffusion activation energy of zirconium atom is decreased, that is, the self-diffusion of zirconium atom is promoted in the end, although the vacancy is difficult to form, the elastic modulus of zirconium hydrogen system is obtained. The mechanical properties of tensile and compression were simulated. The surface energy of 偽 -Zr crystal was decreased by hydrogen atom, and the surface stability of 偽 -Zr crystal was increased, and the surface energy of 尾 -Zr crystal {100} and {110} was improved. The study of elastic modulus and stress-strain curve shows that hydrogen decreases the Young's modulus, shear modulus and bulk modulus of 偽 -Zr crystal, and makes the plasticity index G / B decrease. Softening occurs. The unidirectional theoretical tensile and compressive strength of 偽 -Zr crystal along c axis is reduced, which reflects the weak bond effect of hydrogen atom. Hydrogen increases the Young's modulus, shear modulus and bulk modulus of 尾 -Zr crystal, and makes G / B increase. By hardening, the mechanical stability of 尾 -Zr crystal is improved, the unidirectional theoretical tensile strength is improved, and the compressive ability is improved, which reflects the strong bond effect of hydrogen atom on 尾 -Zr crystal.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG146.414

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本文編號：1652853