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金屬中納米孔洞俘獲氫定量預(yù)測(cè)模型首次建立

將在氫能源汽車以及航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用


  來(lái)源: 科技日?qǐng)?bào) 時(shí)間:2019-07-17 編輯:伊敏
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從中科院合肥研究院固體物理研究所獲悉,該所劉長(zhǎng)松課題組吳學(xué)邦與麥吉爾大學(xué)宋俊合作,首次建立了體心立方金屬中納米孔洞氫俘獲和聚集起泡的定量預(yù)測(cè)模型,為理解氫致?lián)p傷,以及設(shè)計(jì)新型抗氫致?lián)p傷材料提供了可靠的理論基礎(chǔ)和工具。該成果日前發(fā)表在《自然·材料》雜志上。



氫極易鉆進(jìn)金屬材料的內(nèi)部,導(dǎo)致材料損傷。例如,在磁約束核聚變反應(yīng)堆的核心部位,燃料氫同位素極易滲透進(jìn)保護(hù)其他部件的鎢金屬裝甲,與中子輻照產(chǎn)生的納米孔洞結(jié)合,從而形成氫氣泡并產(chǎn)生裂紋,最終對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和服役性能造成致命損傷,危及聚變裝置的安全。


為攻克上述難題,研究人員采用基于密度泛函理論的模擬方法,在原子尺度上獲得了精確的氫與納米孔洞相互作用數(shù)據(jù),并結(jié)合多尺度模擬方法,進(jìn)行宏觀尺度模擬,從而與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。針對(duì)氫在不光滑納米孔洞內(nèi)壁上吸附問(wèn)題,他們以體心立方金屬鎢為例,通過(guò)分析氫的運(yùn)動(dòng)軌跡,發(fā)現(xiàn)氫總是以單原子形式有次序地吸附在一些特定位置上,氫在復(fù)雜的孔洞內(nèi)壁吸附規(guī)律可概括為五類吸附位點(diǎn)及相應(yīng)的五個(gè)吸附能級(jí),從而準(zhǔn)確描述氫在不光滑納米孔洞內(nèi)壁上的吸附特性。



基于上述規(guī)律,研究人員建立了一個(gè)普適的定量模型:內(nèi)壁上氫的能量取決于吸附點(diǎn)的類型以及內(nèi)壁上氫的面密度,而芯部氫的能量則由氫的體密度決定。由該模型預(yù)測(cè)得到的結(jié)構(gòu)和氫俘獲能,與模擬計(jì)算結(jié)果高度一致。


這項(xiàng)研究建立了氫與納米孔洞相互作用的定量物理模型,為理解氫致金屬材料損傷提供了尋求已久的關(guān)鍵認(rèn)知。這些金屬材料不僅會(huì)被用在未來(lái)聚變堆第一壁裝甲中,助力可控核聚變的實(shí)現(xiàn),也會(huì)在氫能源汽車以及航空航天等領(lǐng)域中發(fā)揮至關(guān)重要的作用。

關(guān)鍵詞:定量 納米 氫能源    瀏覽量:4740

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