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【6h】

Fe-W界面扩散特性的分子动力学模拟

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第 1 章 绪论

1.1 聚变能

1.2 界面扩散简介

1.3 Fe-W 界面扩散研究进展

1.4 本课题的主要研究内容与目的

第 2 章 分子动力学模拟理论及计算方法

2.1 引言

2.2 分子动力学理论基础

2.2.1 分子动力学方法简介

2.2.2 分子动力学模拟的基本思想

2.3 原子间相互作用势函数

2.3.1 对势

2.3.2嵌入原子势( EAM势)

2.3.3 F-S (Finnis-Sinclair)势

2.4数值积分算法

2.5系综理论与边界条件处理方法

2.5.1系综理论

2.5.2边界条件处理

2.6 NEB 计算方法

第 3 章 Fe-W 界面扩散特性

3.1铁钨EAM合金势的验证

3.2 Fe-W 界面扩散随时间的演变

3.2.1 模型的构建与计算方法

3.2.2 结果与讨论

3.3温度对Fe-W界面扩散的影响

3.3.1 模型构建与计算方法

3.3.2 结果与讨论

3.4界面取向对Fe-W界面扩散的影响

3.4.1 模型构建与计算方法

3.4.2 结果与讨论

3.5 本章小结

第 4 章 中间相 Fe2W 与 Fe-W 界面扩散

4.1 引言

4.2.1 Fe2W 稳定性验证

4.2.2 W-Fe2W-Fe 模型构建与计算

4.3结果与分析

4.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致 谢

附录 A (攻读硕士学位期间发表的学术论文目录)

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摘要

能源危机将是未来世界面临的严重问题之一,开发与利用氚氘核聚变能被认为是解决未来能源危机最为可靠的一条途径。在未来氚氘核聚变装置中,抗辐射,低活性钢是理想的第一壁候选材料(PFMs)。而金属钨,因其低物理溅射性、低氢溶解度、熔点高以及良好的抗肿胀性能也常被应用于PFMs中。实验中可以采用喷射沉积的方法在Fe表面富集一层富钨层,然而W的富集层可能会被铁钨的相互扩散所破坏,尤其是在温度较高的情况下。目前,关于Fe-W界面扩散的微观机制仍有待探索。本文运用分子动力学方法,基于Fe-W合金EAM势函数,研究了Fe-W界面扩散规律,还评估了实验中所发现的中间相Fe2W对Fe-W界面扩散的影响。  基于Fe-W合金EAM势函数,首先研究了Fe-W界面扩散随时间的演化,通过分析发现扩散时间越长,相互扩散现象越明显,相互扩散的原子数目也逐渐增加。进一步对比分析发现Fe-W界面扩散存在非对称性扩散现象,且W原子扩散到Fe块中比Fe原子扩散到W块中更为简单,占据了扩散的主导方向。此外,还研究了温度对Fe-W界面扩散的影响,发现温度是影响扩散的关键因素。随着温度的升高,原子振动增强,相互扩散的原子数目和深度也增加,Fe-W界面区域的宽度也逐渐变宽。同时就Fe晶面取向对扩散的影响进行了研究,通过对比分析1100K下(100)、(110)和(111)三个不同晶面取向的界面扩散情况,发现Fe-W界面扩散存在着明显的各向异性。(111)晶面原子扩散能力比(110)晶面和(100)晶面更强,更容易扩散,这主要是由于面密度和表面能之间的差异造成的。最后,研究了中间相Fe2W对界面扩散的影响,通过对有、无中间相Fe2W的两种界面的模拟,统计分析了Fe(100)-W、W-Fe2W以及Fe2W-Fe三种界面随时间演化的界面宽度,发现Fe(100)-W界面宽度要远大于W-Fe2W以及Fe2W-Fe界面宽度,这表明没有中间相Fe2W的构型中发生了更加明显的原子相互扩散现象。中间相Fe2W对Fe-W体系的相互扩散有阻碍作用,说明Fe2W能够有利于W在Fe的表面富集,从而在聚变反应堆中对Fe基底起到一定保护作用。

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