用正电子湮没谱研究W、Zr等纳米合金的结构稳定性

It is a new approach to prepare a stable nanocrystalline alloy by solute segregation for stabilizing nanostructure. Such as W,Zr etc alloy system are chosen for the study, which has important applications in the nuclear industry prospects, and has high solute segregation enthalpy and bulk mixing enthalpy, thus solute preferring the grain boundary and reducing the free energy of the alloy. Nanocrystalline alloy samples will be prepared by using liquid nitrogen cryogenic high-energy ball milling technology combined with high-pressure rapid sintering technology. By means of positron annihilation technique (very effective for micro-structural study, including two-dimensional coincidence Doppler broadening spectrum with the ability to discern the chemical environment of the defects and grain boundary segregation of atomic), as well as X-ray diffraction , electron microscopy , Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS) , etc. tools , combined with theoretical calculations and simulations, we will study the dependence of the grain size on nano-alloy composition and, study effects of the grain boundary segregation of solute on nano-grain size and structural stability of the alloy. Introduced defects and impurities by irradiation, we will study the interaction between grain boundary and defects or impurities, to understand the contribution of defects and impurities to grain boundary energy, to reveal the mechanism of the effect of defects and impurities on the nano-alloy stability. The mechanical properties of stabilization nanocrystalline alloy will be studied as well. The results of the project have important scientific significance and practical value to design nanomaterials with stable structure and promote application of nanomaterials.

本项目从溶质偏析稳定纳米晶结构的新途径出发,选择溶质偏析焓和混合焓均高,从而有利于溶质在晶界聚集和降低合金自由能的,并且在核工业有重要应用前景的W、Zr等合金体系为研究对象。采用液氮深冷高能球磨技术结合高压快速烧结技术制备纳米合金样品。利用对微结构研究非常有效的正电子湮没技术，包括能鉴别缺陷化学环境和晶界原子偏析的二维符合多普勒展宽谱，以及X射线衍射、电子显微镜、X射线能谱(EDS)等手段，并结合理论计算和模拟，研究纳米合金成分与晶粒度的关系，研究晶界溶质偏析程度对纳米晶粒尺寸以及合金结构稳定性的影响。通过辐照引入缺陷和杂质，研究缺陷和杂质与晶界的相互作用，了解缺陷和杂质对晶界能的贡献，揭示缺陷与杂质影响纳米合金稳定性的机制。研究结构稳定的纳米合金的力学性能。本项目研究结果对稳定的纳米结构材料的设计和促进纳米材料的应用研究具有重要的科学意义和实用价值。

纳米材料在走向实用的过程中遇到很大的晶粒长大问题。这是因为体积分数很大的晶界伴随着内在固有的结构不稳定性。晶粒长大的本质是质量通过界面的传输。按照Chookajorn et al理论假设，对于确定的二元合金体系，晶粒尺寸将是稳定的。这需要实验检验。此外，影响纳米晶材料的稳定的因素还有很多，辐照、缺陷和微量杂质都可能有重大影响。.本研究项目采用高能球磨技术制备了纳米Zr-Mg、Fe-Zr合金纳米金属粉末。研究结果显示，经过相同的退火温度处理后，锆镁合金的晶粒尺寸要明显小于金属锆的晶粒尺寸。对于平均晶粒尺寸为7.12nm的Fe-Zr体系，采用大电流高压快速烧结工艺，制备了Fe-Zr合金纳米材料。研究表明在800℃烧结温度下，烧结10分钟内晶粒大小没有明显变化，10分钟后开始明显长大，说明了晶粒生长的热力学变化，晶粒生长需要活化能的积累，温度一定时，烧结时间越长，越有利于晶粒生长活化最终推动晶界移动，并导致晶粒生长。温度也是影响晶粒长大的重要因素，烧结时间固定为10min时，合金晶粒大小随温度的变化存在一个突变的温度点，在800 ℃，铁锆纳米合金晶粒剧烈长大，从15nm左右急剧长大到28nm，更高的温度下，晶界移动的活化能更容易积累。.SiC和Zr中杂质扩散研究表明缺陷对杂质原子的扩散起了决定性的作用。晶界与本征点缺陷的相互作用研究表明，晶界能够有效的促进间隙原子与空位复合，从而抑制纳米材料中的点缺陷。钛酸钡和钛酸锶的研究表明，由于其中本征缺陷浓度极高，无论如何烧结，纳米原材料都会在开始烧结时急剧长大从而很难制备纳米陶瓷块体材料。材料表面吸附研究表明，表面和亚表面的杂质及缺陷对原子的吸附和解离有重要的影响。.纳米材料的稳定性具有重要的课题。界面能，杂质扩散，缺陷都可能影响原子在晶界的输运。本项目的研究结果对纳米材料的制备，促进纳米材料的应用具有重要的科学意义。