燒結(jié)材料的力學(xué)行為與顯微組織中所包含的晶界(GB)性質(zhì)密切相關(guān)。以氧化陶瓷為例，二氧化鈾(UO2)是目前在核反應(yīng)堆中使用最廣泛的燃料，由于必須了解燃料的力學(xué)行為，以確保反應(yīng)堆的安全和效率，因此充分表征UO2中的GBs是至關(guān)重要的，需要確定UO2多晶體中可以觀察到的特殊GB類型。由于實(shí)驗(yàn)很難在UO2上進(jìn)行，因此數(shù)值模擬是確定特殊GB特性的主要方法之一。已有報(bào)道利用分子動(dòng)力學(xué)模擬了UO2中的特殊GBs，并計(jì)算了晶界性質(zhì)，主要方法均為經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)中使用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)來(lái)描述原子間的相互作用。雖然構(gòu)成了一種獲得原子間力的有效方法，但與從頭計(jì)算方法相比，這些勢(shì)可能缺乏預(yù)測(cè)性和準(zhǔn)確性。因此，必須與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相比較，對(duì)用經(jīng)驗(yàn)勢(shì)得到的結(jié)果進(jìn)行持續(xù)的驗(yàn)證。由于多晶體中的晶界平面不能用標(biāo)準(zhǔn)EBSD(二維)來(lái)確定，實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的相對(duì)能量之間的聯(lián)系并不簡(jiǎn)單。

法國(guó)格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)的研究人員首次利用高分辨率透射電鏡在UO2雙晶中觀察到了兩種特殊的GBs，并同時(shí)計(jì)算了它們的原子結(jié)構(gòu)。由于雙晶是由定向單晶擴(kuò)散鍵合得到的，所以所有的幾何參數(shù)都是已知的，這使得實(shí)驗(yàn)和模擬原子結(jié)構(gòu)之間具有直接關(guān)聯(lián)，從而更真實(shí)的描述GB特征。相關(guān)論文以題為“Atomicstructure of grain boundaries in UO2 Bicrystals: A coupled high resolution transmission electron Microscopy / Atomistic simulation approach”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114191

研究發(fā)現(xiàn)對(duì)鈾原子在GB的分布是由鈾-氧相互作用造成的。CRG和Yakub勢(shì)的這種優(yōu)勢(shì)與之前的研究一致，這兩個(gè)勢(shì)給出了關(guān)于UO2中GBs能量的最佳結(jié)果。雖然CRG勢(shì)和Yakub勢(shì)是剛性離子勢(shì)，但不考慮電荷轉(zhuǎn)移，這一點(diǎn)已得到證實(shí)。這表明在晶界處電荷轉(zhuǎn)移并不占優(yōu)勢(shì)?？紤]到CRG勢(shì)也是研究UO2熱力學(xué)性質(zhì)的最佳勢(shì)之一，這進(jìn)一步證實(shí)了原子模擬可以越來(lái)越多地用于描述UO2在各種條件下的行為。

圖1 GBs ∑5(031)/[100]-36.86°和∑5(021)/[100]-53.13°的HR-TEM圖像

圖2 利用CRG勢(shì)得到了GBs ∑5(031)/[100]-36.86°和∑5(021)/[100]-53.13°的弛豫構(gòu)型

圖3 利用CRG勢(shì)對(duì)∑5(031)/[100]-36.86°和∑5(021)/[100]-53.13°的HR-TEM圖和模擬進(jìn)行比較

圖4利用(a) Morelon、(b)Potashhnikov和(c) Yakub勢(shì)，得到GB ∑5(031)/[100]-36.86°的弛豫構(gòu)型

本研究首次將高分辨率透射電鏡和原子尺度的數(shù)值模擬相結(jié)合，分析了二氧化鈾(UO2)雙晶體中兩個(gè)∑5對(duì)稱傾斜晶界的原子結(jié)構(gòu)。證明了∑5(021)/[100]是完全對(duì)稱的，晶界面形成鏡像對(duì)稱，而在∑5(031)/[100]中晶體之間存在平移。在實(shí)驗(yàn)觀察和模擬結(jié)構(gòu)之間的一致性證實(shí)了耦合方法的相關(guān)性。這一結(jié)果強(qiáng)調(diào)了利用CRG和Yakub經(jīng)驗(yàn)勢(shì)可以模擬UO2的行為。前人在CeO2中進(jìn)行了相同晶界原子尺度上的實(shí)驗(yàn)和模擬觀測(cè)，表明晶界上的氧空位對(duì)晶界的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。即使鈾原子在價(jià)層方面的行為與鈰原子不同，關(guān)于UO2在這一點(diǎn)上的行為研究也是有前景的。本文為模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)合研究氧化陶瓷材料提供了理論基礎(chǔ)。（文：破風(fēng)）

審核編輯 ：李倩