金属钨中氦团簇扩散与形核特性的分子动力学研究

本文应用分子动力学方法模拟研究了氦团簇在金属钨中的扩散特性,得到了不同大小团簇的扩散系数,结果表明氦团簇越大,扩散越慢.氦团簇越大越容易激发出自间隙钨原子,且大的氦团簇只需要很低的钨基体温度即可激发.在金属钨中加入125个氦原子（氦浓度低于0.1%）,研究了氦团簇的形核特性.通过比较氦团簇、自间隙团簇和空位团簇3种缺陷的尺寸分布发现,氦团簇的尺寸在800 K达到最大值,其它两种缺陷尺寸随温度的增加而逐渐增大.     

钨晶界中氦和氢性质的分子静力学模拟

国际热核聚变实验堆(ITER)中的偏滤器部分受到大量氦、氢离子流轰击,钨因熔点高、高温性能优异而常被选作这一部件的护甲材料,但氦、氢倾向于在晶界等缺陷处聚集成团簇,从而引起钨表面起泡、肿胀等,致使材料性能下降,使用寿命下降。文中采用分子静力学方法研究了氦和氢在钨晶界附近的性质。首先计算了25个绕100轴旋转不同角度的对称倾斜钨晶界的晶界能,选取其中能量较低的∑5(310)和∑5(210)晶界为研究对象,计算了缺陷与晶界的相互作用。结果表明:在晶界附近,垂直于界面的方向上原子层间距明显增大,晶界的膨胀畸变和面间滑移为缺陷提供了有利环境;晶界的影响区域为4,在这一范围内空位、间隙氦和间隙氢的形成能小于块体中的;当离晶界面距离大于4,可近似认为是块体。研究结果可为钨中氦/氢泡生长和释放相关的实验提供一定依据和指导。     

纳米晶钨膜的沉积工艺研究及微结构表征

采用射频测控溅射方法,在Ar/He混合气氛下制备了纳米晶钨膜;利用增强质子背散射、慢正电子束分析和X射线衍射分析分别对钨膜中钨原子沉积情况、空位型缺陷分布及微结构进行了分析.结果表明:纳米晶钨膜具有完好的体心立方晶体结构,沿(110)方向生长;微量的氦掺入有助于钨原子沉积,同时也有利于制备均匀性和热稳定性较好的厚钨膜.     

核聚变堆面向等离子体钨基材料氢氦效应的第一性原理研究

钨基材料以其高熔点、高导热率、良好的抗中子辐照和抗溅射腐蚀等优异性能,被视为未来核聚变装置中最有前景的面向等离子材料.在聚变服役环境下,14Me V的高能中子以及低能氢/氦粒子流对钨基材料造成严重的辐照损伤.研究材料的辐照损伤与氢氦效应机理对揭示辐照引起材料微观结构与性能的变化以及探索开发新型抗辐照材料具有重要的意义.近年来,随着计算模拟技术的发展,多尺度模拟方法在聚变堆材料辐照损伤与氢氦效应机理研究方面有着广泛的应用.本文主要结合作者近几年的研究实践,介绍了第一性原理方法在钨中氢氦效应机理方面的一些进展,揭示了钨中基于空位和杂质的氢/氦泡级联成长机制,建立了过渡族合金元素与辐照点缺陷以及与氢/氦相互作用数据库,从而为高性能钨基材料合金化元素的筛选及其制备实践提供理论指导.     

钨等离子体电子密度的研究

用SHML模型计算了温度从0.3 keV到10.0 keV、密度从0.001 g/cm3到0.1 g/cm3的钨等离子体的电子密度,研究了钨等离子体电子密度随温度、密度的变化规律.计算结果表明,钨的电子密度随等离子体的温度、密度增加而增大,并且出现了3次缓慢变化的平台.分析了平台出现的原因,特别是温度从6.5 keV到10.0 keV时出现的平台,是由于等离子体的温度太高,导致钨原子中的电子几乎全部电离所致.因此,选用钨元素作为聚变堆第一壁材料时,应尽量避免高Z钨进入氘、氚等离子体中,从而破坏聚变反应.     

钚中空位对氦泡生长影响的动力学Monte Carlo研究

对于氦在金属中的行为特性研究,人们已经做了大量工作;但对于金属钚,这方面的工作仍然非常少.钚的自辐照效应可以在自身引入大量的空位和氦原子,这些空位及氦原子扩散、聚集,会对材料性能造成不良影响.本文采用动力学Monte Carlo(KMC)方法,分别建立了纯氦模型和空位模型,进行模拟研究,发现空位对氦泡生长速度、生长形态都有明显的影响.     

氦离子行为与钨中相关缺陷演化的研究

本文通过离子注入向钨体中注入100keV氦离子,并使用慢正电子束分析(SPBA)手段研究了不同注量的氦在钨体内的行为以及氦相关缺陷的演化.实验结果表明:在不同的氦注量条件下,样品的S-W参数呈相同线性分布显示氦离子的注入会引入同一类型的空位型缺陷,并且随着氦离子注量增加,S参数的增大表明引入空位型缺陷浓度的逐渐增加.通过与其他未退火样品对比发现样品退火后的S参数出现明显改变,该结果表明相对于其他影响因素如注量,钨中空位型缺陷更容易受热效应的影响.     

钚中空位对氦泡生长影响的运动学Monte Carlo研究

对于氦在金属中的行为特性研究,人们已经做了大量工作;但对于金属钚,这方面的工作仍然非常少。钚的自辐照效应可以在自身引入大量的空位和氦原子,这些空位及氦原子扩散、聚集,会对材料性能造成不良影响。本文采用动力学Monte Carlo（KMC）方法,分别建立了纯氦模型和空位模型,进行模拟研究,发现空位对氦泡生长速度、生长形态都有明显的影响。     

部分bcc和fcc金属点缺陷性能的第一原理计算

缺陷对金属及合金的物理和机械性能有显著的影响.点缺陷如空位和间隙性能有助于理解金属和合金的热力学及动力学行为.使用第一原理软件CASTEP模块计算了体心立方结构金属V,Cr,Fe,Nb,Mo,W和面心立方结构金属Ni,Rh,Pd,Cu,Zn,Ag的单空位形成能、结合能、自间隙形成能.计算结果表明:所有结合能的计算值均高于实验值,空位形成能的结果与其他计算方法的结果比较接近;对于bcc结构,110或111哑铃间隙构型能量最低,结构最稳定,与其他计算方法结论一致;fcc结构的100哑铃或八面体间隙构型能量最低,结构最稳定;空位形成能的值大约是结合能的1/3-1/4;间隙形成能与体弹性模量B有关,随着B的增大而增大.     

Al-Li系统性质的第一原理计算(英文)

用第一原理方法对铝、锂及铝锂二元系统金属间化合物的稳定和亚稳相的原子体积、弹性性质及形成焓等热力学性质进行了计算,结果表明:计算的平均原子体积略大于实验值,计算的体积模量与已有的实验值符合得比较好,对铝锂系统来说,计算的体积模量随锂的浓度的增加单调下降.对铝锂系统的稳定和亚稳定相的形成焓的计算表明,最稳定相为B32结构的Al-Li金属间化合物.     

钨基辐照材料纳米氦泡诱导位错成核的分子模拟

基于分子动力学模拟, 系统研究纳米氦泡的内压、孔径和温度对钨基辐照材料位错成核机理的影响. 首次采用微动弹性带 (nudged elastic band, NEB) 方法对氦泡诱导位错成核的能垒进行分析. 研究发现, 存在一个极限氦/空位比, 当氦/空位比超过该极限值时, 纳米氦泡通过内压驱动位错成核、位错竞争与反应、交滑移等微观机理生成并发射柱型位错环而长大;氦泡诱导位错成核所需的极限内压随温度的升高与氦泡的长大而减小, 氦/空位比的增加可以有效地降低位错成核所需的能垒.     

中国钨贸易格局演变及启示——基于物质流与价值流分析

 钨是工业制造和国防科技中不可替代的基础材料和战略资源。中国是世界最大的钨生产和出口国，然而其在全球钨供应链和价值链中的地位、收益及贡献尚未明晰。通过核算1992-2018年中国钨的进出口数量和金额，发现中国在全球钨供应链中扮演了“钨加工厂”的角色，但在全球钨价值链中仍处于从属地位，面临“低值锁定、高端依赖”的风险。具体表现为：（1）在物质流视角下，中国是钨的净出口国且净出口规模不断扩大，贸易结构呈现“两头进，中间出”的特征；（2）在价值流视角下，中国钨的贸易规模与顺差均呈现显著增长的趋势，贸易单价则呈现“进口高，出口低”的特征；（3）综合物质和价值双重视角，中国钨贸易在总量和结构上均存在不对称性，即净出口量大但贸易顺差小、资源输出以钨中间产品为主但贸易创汇以钨金属制品为主。建议采取如下措施提升中国在全球钨价值链中的地位：（1）鼓励进口钨精矿和钨废料等原材料，增强中国对钨原材料的保障能力；（2）上调钨中间产品和低端钨金属制品的出口关税，鼓励钨加工企业向深加工延伸；（3）支持钨金属制品生产企业的技术创新升级，提高中国钨出口产品的国际竞争力。     

晶体镍中氦泡生长的分子动力学模拟

利用分子动力学方法模拟了面心立方金属镍中氦泡的膨胀和融合过程。通过原子分布示意图、径向分布函数等方面的分析研究发现,在温度较低时,随时间的演化,原相隔五层镍原子的两氦泡逐渐聚拢,同时周围出现大量空位、间隙原子、位错等缺陷结构;两氦泡最终连为一体,氦泡周围的镍原子构成一菱形位错区域。温度较高时,两氦泡融合速度加快,融合区域增大,这对于研究材料中的杂质、缺陷、孔洞、裂纹的扩展、贯通机理具有重要意思。     

功能性离子液体[A336][Cyanex272]对钨钼的萃取分离研究

Functionalized ionic liquids (FILs) as extractants were employed for the separation of tungsten and molybdenum from a sulfate solution for the first time. The effects of initial pH, extractant concentration, metal concentrations in the feed were comprehensively investigated. The results showed that tricaprylmethylammonium bis(2,4,4-trimethylpentyl)phosphinate ([A336][Cyanex272]) could selectively extract W over Mo at an initial pH value of 5.5; the best separation factor β_W/Mo of 25.61 was obtained for a solution with low metal concentrations (WO₃: 2.49 g/L, Mo: 1.04 g/L). The [A336][Cyanex272] system performed effectively for solutions of different W/Mo molar ratios and different metal ion concentrations in the feed. The chemical reaction between [A336][Cyanex272] and W followed the ion association mechanism, which was further proved by the Fourier-transform infrared (FTIR) spectra of loaded [A336][Cyanex272] and the free extractant. The stripping experiments indicated that 95.48% W and 100.00% Mo were stripped using a 0.20 mol/L sodium hydroxide solution. Finally, the selective extractions of W and Mo from two synthetic solutions of different high metal concentrations were obtained; the separation factor β_W/Mo reached 23.24 and 17.59 for the first and second solutions, respectively. The results suggest the feasibility of [A336][Cyanex272] as an extractant for the separation of tungsten and molybdenum.     

Electronic properties and stabilities of methoxy-substituted Lindqvist polyoxometalates [Nb2W4019CH3]3- by DFT

The electronic properties and stabilities of five [Nb2W4O18OCH3]3-isomers have been investigated using a density functional theory method.The results show that the isomer with the methoxy group occupying a bridging position between two tungsten atoms(two tungsten atoms in the plane that contains two niobium atoms) in the [Nb2W4O18OCH3]3-framework is the most stable isomer in acetonitrile.The stability of the one-electron-reduced isomers changes little.The most stable one-electron-reduced isomer has the methoxy group occupying a bridging position between niobium atoms in the [Nb2W4O18OCH3]4-framework.The M-Ob(M = Nb,W;b denotes bridging) bond lengths in anions in which the metal atoms are connected by a methoxy group are longer than those in [Nb2W4O19]4-.The highest occupied molecular orbitals(HOMO) in [Nb2W4O19]4-mainly delocalize over the bridging oxygen atoms of two niobium atoms and two tungsten atoms located in the equatorial plane,and the bridging oxygen atoms on the axial surface.The lowest unoccupied molecular orbitals(LUMO) of [Nb2W4O19]4-are mainly concentrated on the tungsten atoms and antibonding oxygen atoms.Methoxy substitution modifies the electronic properties of the [Nb2W4O18OCH3]3-isomers.The HOMOs in the five isomers formally delocalize over the bridging oxygen atoms,which are distant from the surface containing the methoxy group and four metal atoms.The LUMOs delocalize over the d-shells of the four metal atoms that are close to the methoxy group,and the p-orbitals of oxygen.One-electron reduction occurred at the tungsten atoms,not the niobium atoms.     

多氯苊化合物分子结构和热力学性质的理论研究

采用密度泛函理论方法,在B3LYP/6-311G**水平上对35个多氯苊化合物的分子几何结构进行了全优化计算,并获得它们在理想气体状态的一些热力学性质参数,研究了这些性质与氯原子数目和位置的关系,根据多氯苊化合物的相对标准生成Gibbs自由能的大小,得到它们的热力学稳定性顺序.结果表明:所有多氯苊分子中除4个氢原子以外的其他原子都在同一平面上.多氯苊最稳定异构体的ΔfHθ及ΔfGθ随Cl原子数目增加而发生的变化与最不稳定异构体不同.具有相同数目氯原子的多氯苊异构体的ΔfHθ和ΔfGθ与氯原子的取代位置有很大的关系,其相对热力学稳定性主要由分子内的处在不同六元环上的邻近Cl…Cl核排斥作用决定.     

非磁性/磁性掺杂剂对SnO2体系的性能调控

本文通过第一性原理计算在GGA + U 框架下系统地研究了非磁性掺杂剂(Li)和磁性掺杂剂(V)以及相应的点缺陷(VO/VSn)掺杂SnO2基稀磁半导体(DMS)的稳定性、电子结构、键合性质、磁性以及光学性质. 计算得到的形成能结果表明, V元素单掺杂体系比Li元素单掺杂体系更稳定. 其中, VO存在的掺杂体系稳定性更高, 而VSn对掺杂体系的稳定性不利. 磁性分析表明, Li掺杂体系的磁矩大于V掺杂体系的磁矩. 当有点缺陷存在时, VSn的加入显著提高了掺杂体系的磁性, 而VO对非磁性金属元素/磁性金属元素掺杂体系的磁性影响不同：当VO存在于Li掺杂体系时, Li原子周围的O原子自旋极化减少, 因此导致磁矩降低;当V掺杂体系中有VO存在, 磁性不仅来源于V原子的自旋极化, 同时来源于VO周围的O原子的自旋极化,因此磁矩增大. 结合电子结构分析可知, Li掺杂体系的磁性是由O-p和Li-p轨道之间的双交换作用产生的, V掺杂体系的磁性是由O-p和V-d轨道之间的双交换作用产生的. 键合分析发现VO的存在可以提高两种金属掺杂体系键(Li-O和V-O)的共价性. 在可见光区域内, Sn15LiO32和Sn15VO32具有较高的光学透明度. 以上这些结果为非磁性金属元素(Li)和磁性金属元素(V)及相应的点缺陷(VO/VSn)掺杂SnO2在自旋电子器件中的应用提供了新的思路.     

Near infrared electrochromic variable optical attenuator based on ruthenium complex and polycrystalline tungsten oxide

A near infrared （NIR） electrochromic attenuator based on a dinuclear ruthenium complex and polycrystalline tungsten oxide was fabricated and characterized. The results show that the use of the NIR-absorbing ruthenium complex as a counter electrode material can improve the device performance. By replacing the visible electrochromic ferrocene with the NIR-absorbing ruthenium complex, the optical attenuation at 1550 nm was enhanced from 19.1 to 30.0 dB and color efficiency also increased from 29.2 to 121.2 cm^2/C.