【摘要】 碳化锆点缺陷与过渡金属掺杂机制研究 - 第一性原理计算与性能优化

碳化锆材料特性与应用前景

作为新一代高温结构材料，碳化锆（ZrC）凭借其高熔点（3540℃）、优异抗辐照性能和化学稳定性，在核能领域展现出重要应用价值。实验表明，在2400℃高温环境下，ZrC仍能保持良好机械性能，相比传统SiC涂层材料，其抗银同位素渗透能力提升显著，为TRISO核燃料包覆材料升级提供了关键解决方案。

 

点缺陷形成机制与计算分析

通过第一性原理计算发现，ZrC中碳空位形成能仅为0.89eV，显著低于锆空位的10.4eV。这种特性使得材料在高温服役时更易产生碳空位迁移，直接影响其作为扩散屏障的性能表现。值得注意的是，Hf元素取代Zr位时呈现-0.2eV的负形成能，揭示了特定元素掺杂的择优替代规律。

 

过渡金属掺杂特性研究

针对28种过渡金属的系统计算表明：

1.替代位倾向：Ni、Pd、Pt在碳位替代时形成能最低（<3.5eV）

2.间隙位阻：所有TM元素的间隙形成能均>5eV，证实间隙固溶难度

3.缺陷互作用：CVa+TMC构型结合能达到-1.8eV，显著提升缺陷稳定性

3d/4d/5d过渡金属在ZrC中的形成能分布

图 1. 3d、4d、5d 元素的取代能（a）取代 C，（b）取代 ZrC 中的 Zr[1]。

 

材料性能优化方向

通过布拉格威廉姆斯近似模型分析，发现最近邻原子相互作用主导掺杂元素的占位选择。这种特性为材料设计提供了明确指导：

  • 核燃料包覆层：优先选择Hf、Ta等5d元素增强结构稳定性
  • 导电组件：采用Ni/Pd掺杂体系优化电子传输性能
  • 抗辐照材料：利用CVa+TMZr复合缺陷捕获裂变产物

 

参考文献：[1]Tao X, Chen H, Zhou Y, et al. The formation energy and interaction energy of point defects in ZrC[J]. Journal of Nuclear Materials, 2021, 557: 153235.

 

科学指南针以分析测试为核心，提供材料测试、环境检测、生物服务、模拟计算、科研绘图等多项科研产品，累计服务1800+个高校、科研院所及6000+家企业，获得了60万科研工作者的信赖。始终秉持“全心全意服务科研，助力全球科技创新”的使命，致力于为高校、院所、医院、研发型企业等科研工作者提供专业、快捷、全方位的服务。

 

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。