原位透射电镜与密度泛函理论模拟揭示氢化钇(YHx)的热力学相变机制

为解决氢化钇(YHx)在高温下热力学相变机制不明的问题，研究人员通过差示扫描量热法(DSC)、原位X射线衍射(XRD)、原位透射电镜(TEM)及密度泛函理论(DFT)模拟，揭示了400-600°C区间氢原子重排引发的二阶相变及高温脱氢行为，为核反应堆慢化材料设计提供关键理论支撑。

　　

研究背景
随着核能微型反应堆的发展，氢化钇(YH_x)因其优异的热稳定性和高中子慢化效率成为理想慢化材料。然而，其高温下的热力学行为始终成谜——此前研究发现，300-700°C区间会出现热容异常跃迁，但传统表征手段无法揭示微观机制。这种认知空白直接制约了材料在极端环境下的可靠性评估。美国能源部(DOE)的微型反应堆计划中，氢化钇的相变失控曾导致材料开裂风险，而中国科学院的团队发现，氢原子比(x值)的微小差异会显著影响相变起始温度。这些矛盾现象暗示，氢化钇的"热力学黑箱"亟待打开。

技术方法
中国科学院上海应用物理研究所团队采用火花等离子烧结(SPS)制备H/Y=1.66的氢化钇块体，通过差示扫描量热法(DSC)捕捉热容突变，结合原位X射线衍射(XRD)追踪晶格参数变化，利用原位透射电镜(TEM)动态观测微观结构演变，并辅以密度泛函理论(DFT)计算热容趋势。

研究结果
1. 热容分析
DSC曲线在500-600°C出现λ型峰，DFT计算显示400°C以下理论值与实验数据吻合，但高温区偏差达15%，暗示存在非平衡态相变。

2. 原位XRD表征
晶格参数在400-600°C突然膨胀1.2%，但无新相衍射峰出现，排除传统一级相变可能。

3. 原位TEM观测
发现三阶段演化：

• 阶段一(<400°C)：均匀固溶体；
• 阶段二(400-600°C)：出现5-10nm暗斑及超晶格结构，对应氢原子短程有序化；
• 阶段三(>600°C)：表面效应诱发脱氢，形成YH₂新晶粒与纯钇层。

结论与意义
研究首次证实氢化钇在400-600°C发生二阶相变，其λ型热容峰源于氢亚晶格的有序-无序转变。这一发现解释了《Journal of Nuclear Materials》曾报道的"热膨胀系数突变"现象。更关键的是，第三阶段脱氢机制的阐明为美国Transformational Challenge Reactor(TCR)计划中的材料失效案例提供了微观解释——电子辐照会加速氢逃逸，提示实际应用中需控制中子通量阈值。该成果发表于《Surfaces and Interfaces》，为下一代微型反应堆慢化材料的寿命预测模型建立了理论基础。