分子动力学研究两种准晶中的辐照级联过程

Symmetry of crystal structure has a strong influence on many aspects of damage production,while other material characteristics are of lesser overall importance. The defects created in cascade damages and their subsequent evolution gives rise to important changes in the engineering properties of materials, so it is crucial to understanding and predicting these for assessing lifetime of material in irradiation environments. Until the relationship between structures and radiation damages is clarified, the goal of predicting the evolution of damage in materials used in such technologies as nuclear power generation and surface modification will remain largely unrealized. In the past years, many works have been done on cascade simulation in crystallines, while little work has been done in quasicrystals due to their complex structures. Comparison between displacement cascade in crystallines and quasicrystals may help to understand the relationship between structures and radiation damages for their big difference in symmetries. In this project, molecular dynamics simulations of collision cascades in CaCd and AlCoNi quasicrystals and their approximants will be performed . Effect of local order structures on displacement threshold energy surfaces and energy dependence of defect production will be studied and compared with that in Ca, Cd, Al, Co, Ni crystal in order to elucidate the impact of symmetry on damage production in materials. This work will contribute to the understanding of relation between structures and irradiation effects, and may reveal some new mechanisms.

对称性对材料的辐照损伤行为有重要影响，弄清对称性与辐照效应之间的关联对抗辐照材料设计、辐照改性工艺设计等具有重要意义。过去的研究主要集中在晶体中的辐照效应，有关准晶辐照效应的研究鲜见报道。准晶与晶体之间对称性的区别远大于晶体之间的区别，通过准晶和晶体之间的对比研究更有助于深入理解对称性与辐照效应之间的关联。本项目拟以CaCd二元准晶和AlCoNi三元准晶为例，采用分子动力学方法研究准晶及其近似体中的辐照级联过程。重点研究对称性对离位阈能、次级级联阈能的影响；获得温度、初始动能对级联过程的影响规律；并将其结果与Ca、Cd、Al、Co、Ni纯元素晶体中的辐照损伤行为进行对比，讨论对称性对级联过程的影响。研究结果有助于深入理解材料结构与辐照效应之间的关联，并有可能揭示若干新的物理机制。

对称性对材料的辐照损伤行为有重要影响，弄清对称性与辐照效应之间的关联对抗辐照材料设计、辐照改性工艺设计等具有重要意义。过去的研究主要集中在晶体中的辐照效应，有关准晶辐照效应的研究鲜见报道。准晶与晶体之间对称性的区别远大于晶体之间的区别，通过准晶和晶体之间的对比研究更有助于深入理解对称性与辐照效应之间的关联。本项目以CaCd二元准晶和AlCoNi三元准晶为例，采用分子动力学方法研究准晶及其近似体中的辐照级联过程。重点研究短程对称性对离位阈能、次级级联阈能的影响，获得温度、初始动能对级联过程的影响规律，并将其结果与纯元素晶体中的辐照损伤行为进行对比，讨论对称性对级联过程的影响。结果表明，准晶中的局域结构对称性对材料的离位阈能有较大影响，但是原子类型对离位阈能的影响不大。获得了0K条件下不同初始PKA能量对应的稳态缺陷数目，呈指数关系，指数比目前已知晶体中的指数都要大。随着环境温度和PKA能量的增加，自间隙原子和空位团簇的尺寸都有所增大。对比分析准晶和晶体中辐照级联过程的不同表明，这种区别与两种体系的对称性有关。Fcc Ca为密排结构，存在大量的密排方向有关，间隙原子和空位能够沿着这些密排方向快速扩散。自间隙原子和空位的扩散在CaCd6准晶中要困难得多。因此，在fcc Ca中辐照级联过程产生的大多数缺陷都通过空位或自间隙原子的扩散而恢复，仅在局部留下部分较小的空位或自间隙原子团簇。由于CaCd6准晶中自间隙原子或空位的扩散比较困难，因此辐照级联过程产生的缺陷往往在随后的冷却过程中形成较大的无定形团簇。这种由于对称性的不同而导致的不同缺陷构型对于深入理解和评价两种材料中的辐照效应具有重要的指导意义。在晶体中，密排结构使得自间隙原子的长程扩散变得容易，进而形成分布广但尺寸小的缺陷团簇。由于准晶中没有平移对称性和密排结构，缺陷的恢复能力较晶体要弱，因此容易形成尺寸较大的无定形区域。这些研究结果有助于深入理解材料结构与辐照效应之间的关联。