高性能W-Mo纳米多晶的辐照损伤性能研究

In fusion reactor, the selection of plasma-oriented materials is one of the key issues in the development of fusion energy. Because of its high strength, high density and high melting point, W-Mo alloy materials with high performance are widely used in defense industry, aerospace, high energy physics, electronic information, energy,nuclear industry and other fields. Therefore, W-Mo alloy materials are also considered as one of the most potential plasma-oriented candidate materials. Because of the limitation of high temperature and radiation, it is not easy to study the atoms in W-Mo composites experimentally. It is difficult to obtain the microscopic mechanism of damage in W-Mo composites, the evolution process of defect behavior and the specific radiation damage such as atom aggregation and migration. However, the theoretical simulation research on this aspect is seriously insufficient. In this project, W-Mo nanocomposites will be systematically studied by first principles and molecular dynamics. The evolution process of specific radiation damage such as atomic aggregation and migration in materials under high temperature irradiation was studied. The interface structure and properties of W-Mo nano-polycrystalline model and the effects of grain boundary and average grain size on the material life were explored. The micro-mechanism of damage in materials under high temperature irradiation was expounded, and a better scheme to improve the properties of materials was proposed for experimental research.

在聚变反应堆中，面向等离子体材料的选取是聚变能开发中的关键问题之一。高性能的W-Mo合金材料因其高强度、高密度和高熔点等优点，被广泛应用于国防军工、航天航空、高能物理、电子信息、能源、核工业等领域，所以，W-Mo合金材料也被认为是最具潜力的面向等离子体候选材料之一。由于高温辐射等条件的限制，实验上对 W-Mo合金材料内部原子的研究并不容易，很难得到材料内部损伤的微观机理，缺陷行为以及原子聚集、迁移等具体辐照损伤的演化过程，而关于这方面的理论模拟研究又严重不足。本项目拟结合第一性原理和分子动力学对W-Mo纳米复合材料进行系统的研究。模拟研究高温辐照环境下，材料内部原子聚集、迁移等辐照损伤的演化过程，探索W-Mo纳米多晶模型的界面结构性能以及晶界和平均晶粒尺寸对材料寿命的影响，阐述在高温辐照下材料内部损伤的微观机理，提出改进材料性能的更好方案，为实验上研究和制备该材料提供一定的理论参考和指导。

W-Mo合金材料是将具有高熔点、高强度的钨和低熔点的钼复合起来的一类特殊材料。因其具有高强度、高密度、高熔点和韧性好等特点，被广泛应用于国防军工、航天航空、高能物理、电子信息、能源、冶金、化工、核工业等领域，成为近年来研究的热点。由于受到高温和辐射等条件的限制，实验上对 W-Mo合金材料内部原子的研究并不容易，很难得到材料内部损伤的微观机理，缺陷行为以及原子聚集、迁移等具体辐照损伤的演化过程，而关于这方面的理论模拟研究又严重不足。. 本项目首先利用第一性原理计算了材料W-Mo合金的晶体结构、弹性常数、能带结构，态密度、动力学性质（包括声子谱和声子态密度），力学性质及热力学性质（如：热容、内能、自由能、熵等）等基本物性。其次，通过利用材料的第一性原理计算结果、已有的实验数据和理论数据等，并结合经验拟合和结构弛豫拟合的方法，我们构建了可用于分子动力学计算的W-Mo合金结构体系的相互作用势。然后，我们对其构建的势函数的准确性和可靠性进行了验证。最后，基于上述构建的体系原子间相互作用势模型，利用分子动力学方法对W-Mo合金结构体系的晶体结构、界面性能、热力学性质，力学性质，熔点，均方位移以及径向分布函数等进行了系统地研究。同时，对辐照损伤缺陷产生、聚集和迁移的运动规律及其碰撞级联效应等也进行了相关的研究，从微观机理上分析了W-Mo合金的辐照损伤的原因。. 上述数据结果对于实验上改进面向等离子体结构材料设计具有重要的参考价值。本项目的开展补充和完善了W-Mo合金晶体相关的力学和热力学等基础数据，对于深入认识其本征特性，推动其作为面向等离子材料的广泛应用具有一定的科学意义和实用参考价值。