燒結(jié)材料的力學(xué)行為與顯微組織中所包含的晶界(GB)性質(zhì)密切相關(guān)。以氧化陶瓷為例，二氧化鈾(UO2)是目前在核反應(yīng)堆中使用最廣泛的燃料，由于必須了解燃料的力學(xué)行為，以確保反應(yīng)堆的安全和效率，因此充分表征UO2中的GBs是至關(guān)重要的，需要確定UO2多晶體中可以觀察到的特殊GB類型。由于實驗很難在UO2上進(jìn)行，因此數(shù)值模擬是確定特殊GB特性的主要方法之一。已有報道利用分子動力學(xué)模擬了UO2中的特殊GBs，并計算了晶界性質(zhì)，主要方法均為經(jīng)典分子動力學(xué)中使用經(jīng)驗勢來描述原子間的相互作用。雖然構(gòu)成了一種獲得原子間力的有效方法，但與從頭計算方法相比，這些勢可能缺乏預(yù)測性和準(zhǔn)確性。因此，必須與實驗觀測相比較，對用經(jīng)驗勢得到的結(jié)果進(jìn)行持續(xù)的驗證。由于多晶體中的晶界平面不能用標(biāo)準(zhǔn)EBSD(二維)來確定，實驗和計算的相對能量之間的聯(lián)系并不簡單。

法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學(xué)的研究人員首次利用高分辨率透射電鏡在UO2雙晶中觀察到了兩種特殊的GBs，并同時計算了它們的原子結(jié)構(gòu)。由于雙晶是由定向單晶擴散鍵合得到的，所以所有的幾何參數(shù)都是已知的，這使得實驗和模擬原子結(jié)構(gòu)之間具有直接關(guān)聯(lián)，從而更真實的描述GB特征。相關(guān)論文以題為“Atomicstructure of grain boundaries in UO2 Bicrystals: A coupled high resolution transmission electron Microscopy / Atomistic simulation approach”發(fā)表在Scripta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114191

研究發(fā)現(xiàn)對鈾原子在GB的分布是由鈾-氧相互作用造成的。CRG和Yakub勢的這種優(yōu)勢與之前的研究一致，這兩個勢給出了關(guān)于UO2中GBs能量的最佳結(jié)果。雖然CRG勢和Yakub勢是剛性離子勢，但不考慮電荷轉(zhuǎn)移，這一點已得到證實。這表明在晶界處電荷轉(zhuǎn)移并不占優(yōu)勢。考慮到CRG勢也是研究UO2熱力學(xué)性質(zhì)的最佳勢之一，這進(jìn)一步證實了原子模擬可以越來越多地用于描述UO2在各種條件下的行為。

圖1 GBs ∑5(031)/[100]-36.86°和∑5(021)/[100]-53.13°的HR-TEM圖像

圖2 利用CRG勢得到了GBs ∑5(031)/[100]-36.86°和∑5(021)/[100]-53.13°的弛豫構(gòu)型

圖3 利用CRG勢對∑5(031)/[100]-36.86°和∑5(021)/[100]-53.13°的HR-TEM圖和模擬進(jìn)行比較

圖4利用(a) Morelon、(b)Potashhnikov和(c) Yakub勢，得到GB ∑5(031)/[100]-36.86°的弛豫構(gòu)型

本研究首次將高分辨率透射電鏡和原子尺度的數(shù)值模擬相結(jié)合，分析了二氧化鈾(UO2)雙晶體中兩個∑5對稱傾斜晶界的原子結(jié)構(gòu)。證明了∑5(021)/[100]是完全對稱的，晶界面形成鏡像對稱，而在∑5(031)/[100]中晶體之間存在平移。在實驗觀察和模擬結(jié)構(gòu)之間的一致性證實了耦合方法的相關(guān)性。這一結(jié)果強調(diào)了利用CRG和Yakub經(jīng)驗勢可以模擬UO2的行為。前人在CeO2中進(jìn)行了相同晶界原子尺度上的實驗和模擬觀測，表明晶界上的氧空位對晶界的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。即使鈾原子在價層方面的行為與鈰原子不同，關(guān)于UO2在這一點上的行為研究也是有前景的。本文為模擬和實驗結(jié)合研究氧化陶瓷材料提供了理論基礎(chǔ)。（文：破風(fēng)）

審核編輯 ：李倩