本技術(shù)涉及金屬材料和分子模擬，特別是涉及一種多晶結(jié)構(gòu)級聯(lián)碰撞的分子動(dòng)力學(xué)模擬分析方法。

背景技術(shù)：

1、金屬鎢(w)因具有高熔點(diǎn)、優(yōu)異的導(dǎo)熱性、良好的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良特性，被認(rèn)為是在高溫、高負(fù)荷的聚變環(huán)境下具有光明前景的面對等離子體材料。然而，聚變堆中面對等離子體材料必須承載高能粒子的劇烈撞擊，其服役性能的劣化和壽命的縮短將嚴(yán)重影響聚變堆運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。因此，在目前聚變中子源實(shí)驗(yàn)還較缺乏的條件下，進(jìn)行鎢材料的級聯(lián)碰撞模擬，有利于我們進(jìn)一步理解輻照對材料微觀缺陷結(jié)構(gòu)演化特性的影響，具有重要的理論和實(shí)際意義。

2、目前已有許多在聚變環(huán)境下鎢材料的輻照損傷模擬相關(guān)研究。setyawan等人使用large-scaleatomic?molecular?massively?parallel?simulator(lammps)代碼模擬了金屬鎢在溫度梯度為300k～2050k范圍的入射粒子能量為100kev以下的級聯(lián)碰撞，發(fā)現(xiàn)弗蘭克爾缺陷對的數(shù)目對入射能量的依賴性較強(qiáng)，而對輻照溫度沒有明顯的依賴性。liu等人使用分子動(dòng)力學(xué)方法建設(shè)了一個(gè)較為系統(tǒng)的單晶鎢級聯(lián)碰撞模擬數(shù)據(jù)庫，并考慮了不同的入射能量、方向和溫度的影響，他們發(fā)現(xiàn)在較低的入射能量下，從統(tǒng)計(jì)上來說，入射方向和溫度對缺陷數(shù)目和尺寸的分布影響并不顯著，但對位錯(cuò)環(huán)的類型有影響。fu等人進(jìn)行了鎢及鎢錸合金的高達(dá)300kev能量的級聯(lián)碰撞模擬，結(jié)果表明，錸原子對缺陷數(shù)目的影響較小，但是與純鎢體系中相比，級聯(lián)過后鎢錸合金中的缺陷團(tuán)簇和位錯(cuò)環(huán)的運(yùn)動(dòng)受到了抑制，這表明錸對位錯(cuò)環(huán)有釘扎作用。zhang等人使用分子動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行了鎢中在晶界附近不同溫度下的級聯(lián)碰撞模擬，結(jié)果表明空位缺陷的數(shù)目與溫度無關(guān)。然而，上述研究更多的是聚焦于單晶鎢材料在聚變中的中子輻照損傷及典型輻照缺陷對材料微觀結(jié)構(gòu)演化的影響等問題。

3、一般來說，多晶材料的特性通常優(yōu)于它們各自的單晶材料，多晶材料中晶粒尺寸的改變可以極大地影響材料的性能。當(dāng)晶粒尺寸達(dá)到納米級時(shí)，可以很大程度的提高和改善材料的機(jī)械性能，這使得多晶材料在許多領(lǐng)域的工程應(yīng)用中具有吸引力。在核聚變領(lǐng)域，研究者們也進(jìn)行了一些多晶材料的輻照損傷研究。gao等人研究了不同尺寸晶粒的多晶碳化硅的輻照損傷行為，結(jié)果表明，隨著晶粒尺寸的增大，產(chǎn)生在晶粒內(nèi)部的缺陷數(shù)目增加，且缺陷產(chǎn)生的效率隨著晶粒尺寸的增加而增加。samaras等人進(jìn)行了多晶鎳(ni)材料的級聯(lián)碰撞模擬，他們發(fā)現(xiàn)ni自間隙在向晶界區(qū)域運(yùn)動(dòng)的過程中有多種可能的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，并進(jìn)行了細(xì)致探究。kong等人研究了多晶中氦導(dǎo)致的硬化效應(yīng)，他們發(fā)現(xiàn)在鎢中注入氦(he)會(huì)引起明顯的硬化效應(yīng)。其硬度首先隨著he注量的增加而迅速增加，當(dāng)注量大于5×1016cm-2時(shí)，硬度增加較慢。du等人使用經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了氧化鋯中的級聯(lián)碰撞，結(jié)果表明，與單晶結(jié)構(gòu)相比，多晶結(jié)構(gòu)在級聯(lián)碰撞過程中產(chǎn)生了更多的離位原子。park等人對比研究了單晶鎢和多晶中的輻照級聯(lián)模擬，結(jié)果表明，單晶鎢中自間隙(sia)數(shù)量的下降速度遠(yuǎn)快于納米多晶鎢中的情況，這意味著單晶鎢中的sia和空位復(fù)合率更快。levo等人進(jìn)行了納米多晶ni和納米多元ni合金的抗輻照性能研究，他們發(fā)現(xiàn)，與納米多晶ni相比，納米多元ni合金能承受更高的輻照劑量。這些研究表明，與單晶相比，輻照條件下多晶結(jié)構(gòu)對材料性能和缺陷演化行為的影響十分顯著。因此，對多晶鎢材料的輻照損傷模擬，定性探究晶粒尺寸、入射方向和能量對輻照級聯(lián)過程中缺陷分布及演化的影響，對理解相關(guān)結(jié)構(gòu)材料在輻照環(huán)境下的性能變化有著十分重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本技術(shù)提供一種多晶結(jié)構(gòu)級聯(lián)碰撞的分子動(dòng)力學(xué)模擬分析方法，本技術(shù)采用分子動(dòng)力學(xué)方法，首先進(jìn)行了不同晶粒尺寸的多晶鎢模型的建立，并進(jìn)一步研究了10～150kev的入射能量及不同入射方向下其輻照損傷行為和微觀結(jié)構(gòu)演化特性，詳細(xì)地分析、統(tǒng)計(jì)和討論了輻照過程中的缺陷形成、團(tuán)簇分布及結(jié)構(gòu)演化等信息。該研究結(jié)果既可以進(jìn)一步的豐富和完善對多晶鎢在輻照環(huán)境下微結(jié)構(gòu)行為特性及損傷機(jī)理的認(rèn)識(shí)，也可為聚變環(huán)境下鎢基面對等離子體材料的優(yōu)化和應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)，具有重要意義，能夠有效克服上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的缺陷。

2、本技術(shù)提供一種多晶結(jié)構(gòu)級聯(lián)碰撞的分子動(dòng)力學(xué)模擬分析方法方法，包括以下步驟：

3、s1、采用voronoi算法構(gòu)建多晶結(jié)構(gòu)模型；

4、s2、在不同入射能量及不同入射方向下進(jìn)行模擬多晶結(jié)構(gòu)模型的級聯(lián)碰撞試驗(yàn)，觀察多晶結(jié)構(gòu)的輻照損傷行為和微觀結(jié)構(gòu)演化特性；

5、s3、將進(jìn)行模擬級聯(lián)碰撞試驗(yàn)后的多晶結(jié)構(gòu)模型的顯微組織進(jìn)行晶內(nèi)和晶界區(qū)域分離，然后采用ovito軟件進(jìn)行分析，以此來區(qū)分晶內(nèi)部塊體區(qū)域的體心立方結(jié)構(gòu)、晶界面區(qū)域及級聯(lián)碰撞過后在多晶結(jié)構(gòu)中的輻照缺陷。

6、優(yōu)選地，所述s1具體包括以下步驟：

7、s11、確定關(guān)鍵參數(shù)：計(jì)算胞邊長(lx/ly/lz)及包含的晶粒數(shù)目n；

8、s12、確定n個(gè)晶粒的中心位置及相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣；

9、s13、建立單晶，按照旋轉(zhuǎn)矩陣旋轉(zhuǎn)并平移到相應(yīng)的中心位置；

10、s14、根據(jù)原子到晶粒中心的距離，判斷每個(gè)原子所屬晶粒；

11、s15、對構(gòu)建的晶界，判斷晶界處原子兩兩距離，刪除重疊原子；

12、s16、完成多晶晶粒構(gòu)建，輸出相應(yīng)的位置文件。

13、優(yōu)選地，步驟s12中，所述確定n個(gè)晶粒的中心位置通過隨機(jī)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)。

14、優(yōu)選地，所述隨機(jī)數(shù)方法具體過程為：

15、給定計(jì)算胞的三個(gè)邊長度lx、ly、lz后，每個(gè)晶粒的平均大小，通過采用立方結(jié)構(gòu)或者球形結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行一級近似，從而獲得立方結(jié)構(gòu)近似條件下的每個(gè)晶粒平均邊長，或者球形結(jié)構(gòu)近似條件下球形晶粒的半徑長度；在確定晶粒的相關(guān)關(guān)鍵尺寸參數(shù)后，通過隨機(jī)數(shù)獲得每個(gè)晶粒的中心位置。

16、優(yōu)選地，所述立方結(jié)構(gòu)近似條件下的每個(gè)晶粒平均邊長計(jì)算公式如下：

17、

18、優(yōu)選地，，所述球形結(jié)構(gòu)近似條件下球形晶粒的半徑長度計(jì)算公式如下：

19、

20、優(yōu)選地，所述通過隨機(jī)數(shù)獲得每個(gè)晶粒的中心位置具體過程為：

21、對于立方結(jié)構(gòu)的晶粒來說，假設(shè)晶粒和晶粒之間的距離不小于2d；對于球形結(jié)構(gòu)的晶粒來說，可以假設(shè)晶粒和晶粒之間的距離不小于直徑2r；其中的假設(shè)均屬于一級近似，基于該假設(shè)，可以構(gòu)建相對均勻分布的晶粒位置的多晶結(jié)構(gòu)，在確定晶粒的相關(guān)關(guān)鍵尺寸參數(shù)后(如晶粒的直徑、半徑、形狀等)，設(shè)置晶粒分布區(qū)域的空間范圍，然后選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)生成器(如python的random模塊)，使用適當(dāng)?shù)碾S機(jī)數(shù)生成函數(shù)生成晶粒的中心坐標(biāo)；根據(jù)所需情況，在指定范圍內(nèi)隨機(jī)生成坐標(biāo)(x,y,z)，確保這些坐標(biāo)符合晶粒的尺寸和形狀。

22、優(yōu)選地，步驟s12中所述旋轉(zhuǎn)矩陣的具體過程為：

23、根據(jù)晶界自由度定義，對晶粒圍繞三個(gè)主要軸向進(jìn)行任意角度旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)在三維空間的自由旋轉(zhuǎn)，構(gòu)建相應(yīng)的晶界；根據(jù)常用的旋轉(zhuǎn)矩陣，圍繞z軸旋轉(zhuǎn)給定的角度θ，獲得相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣如下：

24、

25、因此，當(dāng)整個(gè)晶粒在三維空間繞三個(gè)給定的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)α、β和γ時(shí)，可以得到三維空間的旋轉(zhuǎn)矩陣如下：

26、

27、優(yōu)選地，步驟s14的具體過程為：

28、在確定好相應(yīng)的晶粒中心位置pi后，利用voronoi方法，可以給出兩兩晶粒中心之間的中垂面的位置，確認(rèn)所有pi之間圍成的區(qū)域滿足如下公式確定的范圍ri：

29、ri∈{x,y,z|d(ri,pi)<d(ri,pj),j＝{1,2,...n},j≠i}

30、其中，ri是位置矢量，d(ri,pi)是給定位置到晶粒中心的距離，因此，根據(jù)上述公式可以確認(rèn)給定的位置的晶粒所屬，從而實(shí)現(xiàn)多晶周期結(jié)構(gòu)的初始建立。

31、優(yōu)選地，步驟s1還包括：多晶結(jié)構(gòu)構(gòu)建完成后，首先采用分子靜力學(xué)方法進(jìn)行馳豫，然后采用分子動(dòng)力學(xué)方法開展動(dòng)態(tài)平衡馳豫，以獲得相應(yīng)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

32、本技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

33、本技術(shù)采用分子動(dòng)力學(xué)方法，對不同晶粒尺寸的多晶鎢體系在363k溫度下進(jìn)行了系列級聯(lián)碰撞模擬，包含了不同初級碰撞原子(pka)方向和10～150kev的pka能量。結(jié)果表明晶粒尺寸、pka方向及能量均對級聯(lián)碰撞過程中的缺陷形成和演化有影響。較小的晶粒尺寸會(huì)導(dǎo)致更多的缺陷在晶界形成，高能下小晶粒尺寸的體系其晶界面區(qū)域發(fā)生扭曲的幾率更大，且隨pka能量的增加此現(xiàn)象愈明顯。pka方向會(huì)影響缺陷的形成和擴(kuò)散路徑，當(dāng)pka垂直晶界面入射時(shí)，缺陷會(huì)優(yōu)先形成在晶界面附近區(qū)域，反之則會(huì)更傾向于形成在晶粒內(nèi)部。該研究結(jié)果對理解多晶鎢在高能聚變中子環(huán)境下的性能變化具有重要意義，為鎢基面對等離子體材料的進(jìn)一步優(yōu)化和應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。