体心立方铁中氦气泡晶面化现象的分子动力学机制与温度/压力效应研究

针对氦(He)气泡在辐照铁(Fe)材料中晶面化机制不明的科学问题，中国科学技术大学团队通过分子动力学(MD)模拟揭示了温度与He/V比（氦空位比）对气泡形貌演变的调控规律。研究发现存在球形-晶面化转变临界温度，并首次提出高表面能晶面作为中间态的演化机制，为核反应堆结构材料辐照损伤防控提供了理论依据。

　　

在核反应堆结构材料中，氦气泡的形貌演化直接影响材料的辐照损伤程度。虽然实验观察到氦气泡在体心立方(bcc)铁中会从球形转变为多面体晶面化(facetation)现象，但这一过程的原子尺度机制及其温度、压力依赖性始终是未解之谜。中国科学技术大学的研究团队在《Scripta Materialia》发表的研究，通过分子动力学(MD)模拟首次动态捕捉了氦气泡晶面化的全过程。

研究采用Fe-He势函数开展MD模拟，系统考察了300-900K温度区间及不同He/V比条件下的气泡演化行为。通过分析原子构型、表面能变化和缺陷迁移能垒等参数，揭示了三个关键发现：首先，存在明确的球形-晶面化转变温度阈值（约600K），与实验观测高度吻合；其次，演化过程中优先形成{100}等高表面能晶面作为中间态，这一发现解释了高温促进晶面化的现象；最后，He/V比升高会显著抑制晶面化，源于氦压力增加了表面原子迁移能垒。

在"Abstract"部分，研究强调晶面化过程遵循"球形→高能晶面→低能晶面"的阶梯式演化路径。"Section snippets"中的作者贡献显示，第一作者Zhengyang Ming完成了从模拟到机理分析的全流程工作。值得注意的是，研究使用的Fe-He势函数由合作者提供，模拟依托中国科学技术大学超级计算中心完成。

结论部分指出，该研究不仅阐明了温度与He/V比对气泡形貌的竞争性调控机制，更提出了"表面能梯度驱动"的新型演化模型。这对于预测核材料在极端环境下的服役性能具有重要价值，为开发抗辐照材料提供了理论指导。国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费的资助保障了研究的深入开展。