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科学家首次建立金属中纳米孔洞氢俘获和聚集起泡定量预测模型

2019-11-16 18:26:34

氢是宇宙中最丰富的元素，也是元素周期表上最小的元素。正因为“个头小”，氢能够轻而易举地钻进金属材料的内部，在里面大肆“搞破坏”，导致材料的损伤。氢损伤是指金属由于内部溶入氢原子或内部的氢在起还原作用而引起的损伤甚至引起构件破坏。氢损伤的形式有使钢材出现氢脆、氢鼓泡、氢腐蚀、发纹或白点等。氢脆发生在钢材中，按氢来源，氢损伤可分成内部氢损伤（或内部氢脆）和外部氢损伤（或外部氢脆）两类。

特别是在一些特殊场合，这种“调皮捣蛋”的行为可能会招致非常可怕的后果。比如，在磁约束核聚变反应堆的核心部位，燃料氢同位素极易渗透进保护其他部件的钨金属装甲，与中子辐照产生的纳米孔洞结合，形成氢气泡并产生裂纹，最终对材料的结构和服役性能造成致命损伤，直接危及聚变装置的安全。

“理解氢与纳米孔洞的相互作用是解决这些问题的关键所在。”中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所副研究员孔祥山说。

日前，中科院合肥物质研究院固体物理所与加拿大麦吉尔大学的科研人员合作，在金属中的氢行为研究中取得重要进展，他们首次建立了体心立方金属中纳米孔洞氢俘获和聚集起泡的定量预测模型。该研究为理解氢致损伤，以及设计新型抗氢致损伤材料提供了可靠的理论基础和工具。7月15日，相关论文在《自然—材料》上发表。

针对氢在不光滑纳米孔洞内壁上吸附问题，研究人员以体心立方金属钨为例，通过分析氢的运动轨迹，发现氢总是以单原子形式有次序地吸附在一些特定位置上。

“我们把这些位置归纳成5类吸附点，刚好对应氢的5个吸附能级，这样就能准确地描述氢的吸附特性了。”论文共同第一作者、中科院合肥物质研究院固体物理所博士生侯捷说。

为考察内壁上多个氢之间的相互影响，研究人员分析了上万种不同情况下的氢—氢相互作用，发现吸附的氢原子之间还会相互排斥。随着吸附氢原子数量的增加，内壁上氢原子之间分布越来越紧密，斥力越来越大，导致部分氢逐渐被挤出内壁，从而在孔洞芯部以氢气分子形式析出。

基于上述规律，研究人员建立了一个普适的定量模型：内壁上氢的能量取决于吸附点的类型以及内壁上氢的面密度，而芯部氢的能量则由氢的体密度决定。

由该模型预测得到的结构和氢俘获能，与模拟计算结果高度一致。基于该模型的预测，他们进一步开展了多尺度模拟，通过与氢的脱附实验结果对比验证了模型的正确性。

现在，面对这个恼人的“捣蛋鬼”，人类总算可以自信一些了。这项研究解决了长期以来无法准确描述和预测氢在纳米孔洞中的结构与能量的基本问题，建立了氢与纳米孔洞相互作用的定量物理模型，为理解氢致金属材料损伤提供了寻求已久的关键认知。

“未来，我们可以基于这个模型设计新型的抗氢致损伤材料，这些金属材料会被用在未来聚变堆第一壁装甲中，助力可控核聚变的实现。”孔祥山认为，这一成果也会在氢能源汽车以及航空航天等领域发挥至关重要的作用。

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