热峰作用下单斜ZrO2相变过程的分子动力学模拟

作者：赵中华; 渠广昊; 姚佳池; 闵道敏; 翟鹏飞; 刘杰; 李盛涛^*

来源：Acta Physica Sinica, 2021, 70(13): 355-362.

• ZrO2
• 相变
• 热峰
• 分子动力学

ZrO2陶瓷耐高温、耐腐蚀、抗辐照性能强,是极具前景的反应堆惰性基质燃料和锕系元素固化材料.本文联合使用热峰模型和分子动力学方法,模拟了核辐射环境下ZrO2的相变过程:基于热峰模型,从快速重离子注入后能量沉积和传导的多物理过程出发,建立热扩散方程,求得ZrO2晶格温度时空演变特性;然后运用分子动力学方法模拟了该热峰作用下,单斜ZrO2相变的微观物理过程.研究发现,电子能损为30 keV·nm–1的单一快速重离子注入后, ZrO2中心产生一个半径为7 nm的柱形径迹,径迹中心晶格迅速熔融, Zr原子配位数由7降至4—6, 2 ps时开始结晶并形成空洞,空洞周围为非晶区,非晶区外Zr原子配位数变为8,同时X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)计算和分析结果确认发生了单斜相向四方相的转变.随着热峰能量向周围传递,相变区逐渐扩大.经热峰计算和分子动力学模拟,辐照诱导ZrO2由单斜相转为四方相的快速重离子的电子能损阈值为21 keV·nm–1.

• 单位
  西安交通大学; 中国科学院近代物理研究所; 电力设备电气绝缘国家重点实验室