纳晶碳化硅中辐照缺陷在氢氦协同作用下演变机制的理论模拟研究

Nanocrystalline silicon carbide with tiny grains and many grain boundaries could improve the irradiation resistance outstandingly due to the capability of self-healing on the irradiation induced defects. It has recently stimulated the strong concerning on this kind of material from many experts both at home and abroad. We carry out the basic research project on the synergistic mechanism of hydrogen and helium for irradiation defects evolution in nanocrystalline silicon carbide in the use of theoretical simulations. First, we initiatively develop the hydrogen-helium-carbon-silicon interatomic potential based on the results data from the first-principles calculations. Second, the typical defect structure evolutions in different kinds of grain boundaries and various nano-grains of silicon carbide considering the synergistic effects of hydrogen and helium are simulated in the time scale around pico seconds using the classical molecular dynamic and the independently developed temperature accelerated molecular dynamic method. Finally, in the frame of rate theory based on the competition between defect production and transformation, the kinetic equations of defect evolution will be established with relevant results obtained before to realize the prediction of the critical states of complex defect structures during the evolution process in the longer time scale around seconds. This project will give insights into the new phenomena and rules which govern the synergetic effects of hydrogen and helium on irradiation defect structure in nanocrystalline materials on the atomic scale. It will provide the forward-looking and effective consultation to guide the experiments from the triple ion-beam irradiation facility in our country. In all, this will offer the highly meaningful basic data accumulations and theoretical guidelines on the design and evaluation of key materials in nuclear fusion and space radiation fields to our country.

纳晶碳化硅中细小的晶粒和更多的晶界可能表现出对辐照缺陷自愈合的优良特性从而大大提高其抗辐照能力，这最近引起了国内外专家学者的强烈关注。本项目采用理论模拟方法对氢氦协同作用下纳晶碳化硅中辐照缺陷演变机制开展基础研究。首先基于第一性原理计算数据开创性地拟合氢氦碳硅原子间相互作用势；然后采用经典分子动力学和独立开发的温度加速分子动力学，对氢氦协同作用在不同类型晶界和各种纳米晶粒的碳化硅中典型缺陷结构演化进行长时间毫秒级的模拟；最后将相关结果利用速率理论根据缺陷产生和转化的竞争平衡关系建立缺陷演化动力学方程，实现对复杂缺陷微结构在更长时间秒级以上演化出现关键临界状态的预测。本项目将从微观角度深刻认识纳晶材料中辐照缺陷结构受氢氦协同作用产生的新现象、新规律，前瞻性地为我国三束辐照大型基础科学装置的实验开展提供有力参考。这将为我国在核聚变领域关键材料的设计评价提供具有重大意义的基础数据积累和理论指导。

碳化硅及其复合材料因具有良好的物理和化学特性，使其成为先进核能系统的备选结构材料。在高温强辐照环境中，辐照不可避免地在材料中引入缺陷。缺陷的产生对材料的微观特性产生影响，同时对设备的宏观性能也会产生影响。因此，有必要对缺陷在碳化硅材料中的产生、演变以及对材料特性变化的微观机理进行研究。. 研究发现晶界能随晶面倾斜角度和重位因子而变化，其中∑5（120）晶界是一个局部稳定结构。而低∑晶界拥有较小的晶界能，是更为稳定的结构。氢氦原子在碳化硅晶界附近的体材料中有向晶界面上扩散的趋势，原子在碳原子的对称位置上是最为稳定的结构。在氢氦协同作用下，在原子数较多的情况下，氢原子的比例越高，体系的平均结合能越大，体系越稳定。晶界上的空位有捕获氢氦原子，促进氢氦原子聚集的能力。而晶界上的硅原子间隙却使氢氦原子在晶界间隙位置聚集变得困难。最后本文研究了在∑3和∑5晶界下，氢氦原子在晶界面路径上的迁移势垒。. 对于3C-SiC的高温级联碰撞过程的研究表明：在高温级联碰撞过程中，碳反位（SiC）和硅反位（CSi）有两个不同的产生阶段，SiC主要在初级碰撞阶段产生，CSi则主要在热峰阶段产生。对级联碰撞过程中缺陷成团过程的研究发现，在热峰阶段缺陷团会发生成团或者分解的演变，这与低温下的缺陷团的演变机理不同。本文统计并分析了级联碰撞过后缺陷团的构型，这些结果为长时间的缺陷演变模拟提供数据支持。. 对于不同类型的点缺陷对材料性能的研究结果表明：随着空位浓度的增加，材料的杨氏模量会逐渐降低；对于CSi，随着缺陷浓度的增加，杨氏模量会逐渐升高；对于其他类型的缺陷随着缺陷浓度的增加杨氏模量会减小；并且在不同的温度下，除了IC以外，其他点缺陷对杨氏模量的影响并没有发生明显的变化。. 研究结果表明在辐照环境中，对辐照损伤过程中缺陷的形成和演变以及缺陷对材料性能影响的研究，将有助于理解和揭示辐照环境下材料性能变化的机制。