钨中非平衡晶界附近由辐照诱导的缺陷的捕获

《ACTA MATERIALIA》：Trapping of irradiation-induced defects in the vicinity of disclinated non-equilibrium grain boundaries in tungsten

分子动力学模拟研究显示，钨中非平衡孪晶界（负/正位错环）对辐射诱导间隙原子簇和空位环具有显著吸引力，导致缺陷向晶界迁移，部分被捕获并可能因热激活或旋转逃逸。应力场分析表明，负位错环区存在拉应力场，正位错环区为压应力场，这种应力分布影响缺陷扩散行为。

　　在金属材料科学领域，特别是核反应堆材料的研究中，晶界（Grain Boundaries, GBs）的结构与性质对材料的性能具有深远影响。钨（Tungsten, W）因其高熔点、优异的热导率以及良好的高温强度，被视为国际热核聚变实验堆（ITER）中等离子体面对材料（Plasma Facing Material, PFM）和分流器的理想候选材料。然而，在极端环境下，如核反应堆运行过程中，材料会受到高能粒子的辐照，从而产生大量的点缺陷和缺陷簇，包括空位（vacancies）和间隙原子（interstitial atoms）等。这些缺陷的累积不仅会导致材料的硬化、脆化和肿胀，还可能显著降低其机械性能，威胁反应堆部件的结构完整性和使用寿命。因此，深入理解这些缺陷在材料中的行为，特别是它们与晶界之间的相互作用，对于开发具有更好抗辐照性能的钨材料至关重要。

近年来，研究者们发现，在钨中，自间隙原子（SIA）簇通常以位错环的形式存在，其伯格斯矢量（Burgers vector）主要为 <111> 和 <100>。其中，<111> 位错环占据主导地位。然而，从能量角度来看，空位比具有相同数量空位的位错环更加稳定。尽管如此，实验中也观察到了由碰撞级联（collision cascades）产生的纳米级空位棱柱位错环的存在。空位由于其极高的扩散势垒，通常保持几乎静止状态，而位错环则表现出显著的迁移能力。这种迁移能力使得位错环能够快速移动，并与材料中的固有缺陷发生湮灭。然而，空位的近似不动特性使其成为材料中长期存在的缺陷。此外，SIA 和空位位错环都表现出沿其伯格斯矢量方向的1维扩散特性，并且能够通过旋转实现再定向。这一现象在一些实验研究中得到了证实，如Zhou和Wang等人的工作指出，在完美的钨晶体中，单个SIA易于旋转以实现三维扩散，但随着其尺寸的增大，旋转的难度也随之增加。因此，大尺寸的位错环更倾向于以1维扩散的形式迁移。此外，一些实验还观察到位错环在特定位置附近来回摆动，似乎被“捕获”在这些位置，这种现象也引起了研究者的关注。

在多晶材料中，晶界作为一种二维缺陷，能够有效吸收由辐照产生的缺陷，从而显著降低材料的辐照损伤。然而，在通过严重塑性变形（Severe Plastic Deformation, SPD）方法制备的钨材料中，非平衡晶界（non-equilibrium GBs）广泛存在。这些晶界具有相对无序的原子结构，并且包含大量额外位错和位错环等缺陷。位错环是一种与晶体格子旋转不兼容相关的线缺陷，它不仅在钨中广泛存在，也在其他金属（如铁、铜、镁、铝等）以及液晶和橄榄石等材料中被观察到。位错环的强度通常用弗兰克矢量（Frank vector）来表示，该矢量反映了由于位错环的存在而导致的晶格相对旋转角度。与传统的平衡晶界相比，位错环相关的非平衡晶界具有更高的边界能量和更大的自由体积，并伴随着长程应力梯度场的存在。这些特性使得非平衡晶界在材料中具有独特的物理行为。

根据之前的研究，负位错环对SIA簇表现出强烈的吸引力，而对空位则产生排斥作用；相反，正位错环对空位表现出吸引力，而对SIA则产生排斥作用。这种相互作用不仅影响缺陷的迁移路径，还可能改变其在材料中的分布和演化。此外，晶界应力场对位错环的吸收效率和旋转行为也具有显著影响。已有研究表明，晶界应力场能够显著促进位错环的旋转，从而影响其迁移方向和速度。然而，尽管已有部分研究探讨了辐照诱导缺陷与位错环相关非平衡晶界之间的相互作用，但这些晶界对缺陷行为的具体影响机制仍然不够明确，需要进一步的系统研究。

本研究的目的是探讨位错环相关的非平衡晶界对辐照诱导缺陷行为的影响。为了实现这一目标，我们采用了分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟方法，研究了三种SIA簇和三种空位环在负位错环和正位错环附近的迁移行为。随后，我们通过MD方法和弹性理论对位错环与SIA簇、空位环之间的相互作用进行了计算和分析。最后，我们从能量的角度出发，探讨了这些缺陷簇在非平衡晶界附近的迁移模式。通过这些方法，我们希望揭示非平衡晶界如何影响辐照诱导缺陷的迁移和分布，为钨材料的抗辐照性能优化提供新的理论依据。

在分子动力学模拟中，我们使用了大型原子/分子大规模并行模拟器（LAMMPS）代码，并结合了Mason等人开发的嵌入原子法（EAM）钨势函数。该势函数能够准确描述辐照诱导缺陷（尤其是空位类缺陷）的物理行为，因此非常适合用于研究这些缺陷在材料中的运动特性。通过构建两种位错环相关的非平衡晶界模型，我们能够系统地分析缺陷在这些晶界附近的运动轨迹和相互作用机制。模拟结果显示，位错环相关的非平衡晶界对缺陷具有强烈的吸引作用，导致这些缺陷向晶界迁移。在某些情况下，缺陷会在晶界附近被“捕获”在特定位置，并在该位置附近来回摆动。而在其他情况下，缺陷则可以通过热激活或旋转的方式从捕获位置逃逸，继续向晶界迁移。这种行为的多样性表明，非平衡晶界对缺陷的捕获和释放具有动态特性，而这一特性可能与晶界的应力场和能量分布密切相关。

为了进一步揭示这一现象的物理机制，我们对位错环附近的应力场进行了分析。通过MD方法计算了原子应力，并结合弹性理论探讨了应力场如何影响缺陷的迁移行为。研究发现，负位错环附近存在拉应力场，而正位错环附近则存在压应力场。这两种应力场分别对SIA簇和空位环产生强烈的吸引力。此外，位错环与缺陷簇之间的相互作用能分布具有各向异性特征，这意味着缺陷在不同方向上的迁移行为可能受到晶界结构的显著影响。因此，非平衡晶界不仅能够吸收缺陷，还可能通过其应力场和能量分布调控缺陷的迁移路径和速度。

本研究的结果表明，非平衡晶界在材料中的存在对辐照诱导缺陷的行为具有重要的调控作用。这种调控作用不仅体现在缺陷的迁移路径上，还可能影响其在材料中的分布和演化。通过深入理解这些机制，我们可以为钨材料的抗辐照性能优化提供新的思路和方法。例如，通过调控晶界的结构和应力场，可能能够有效减少缺陷的累积，从而提高材料的机械性能和使用寿命。此外，本研究还为其他金属材料中非平衡晶界对缺陷行为的影响提供了参考，有助于拓展相关研究的适用范围。

在实际应用中，钨材料的抗辐照性能优化不仅依赖于对缺陷行为的深入理解，还需要考虑材料的微观结构特征。非平衡晶界由于其较高的边界能量和自由体积，可能在辐照过程中成为缺陷的聚集区域，从而影响材料的整体性能。因此，如何通过材料加工技术（如严重塑性变形）调控非平衡晶界的形成和分布，是提高钨材料抗辐照能力的重要方向之一。此外，研究还发现，缺陷在非平衡晶界附近的运动行为可能受到晶界应力场的显著影响，这意味着在设计和优化材料时，需要综合考虑晶界结构和应力场的相互作用。

总之，本研究通过分子动力学模拟方法，系统地探讨了位错环相关的非平衡晶界对辐照诱导缺陷行为的影响。研究结果表明，这些晶界能够强烈吸引缺陷，并促使它们向晶界迁移。在某些情况下，缺陷会被“捕获”在晶界附近，并在该位置附近摆动；而在其他情况下，缺陷则可以通过热激活或旋转的方式逃逸，继续向晶界迁移。通过分析应力场和能量分布，我们进一步揭示了这些现象的物理机制。本研究不仅为钨材料的抗辐照性能优化提供了新的理论支持，也为其他金属材料中非平衡晶界对缺陷行为的影响研究提供了重要的参考。未来的研究可以进一步探讨如何通过材料设计和加工技术调控非平衡晶界的结构和性能，以实现更高效的缺陷吸收和迁移控制，从而提高材料在极端环境下的稳定性和使用寿命。