搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

理想拉伸/剪切应变对U3Si2化学键键长及电荷密度分布影响的第一性原理研究

王坤 乔英杰 张晓红 王晓东 郑婷 白成英 张一鸣 都时禹

引用本文:
Citation:

理想拉伸/剪切应变对U3Si2化学键键长及电荷密度分布影响的第一性原理研究

王坤, 乔英杰, 张晓红, 王晓东, 郑婷, 白成英, 张一鸣, 都时禹

A first-principles study on the effect of ideal tensile/shear strain on the chemical bond length and charge density distribution of U3Si2

Wang Kun, Qiao Ying-Jie, Zhang Xiao-Hong, Wang Xiao-Dong, Zheng Ting, Bai Cheng-Ying, Zhang Yi-Ming, Du Shi-Yu
PDF
导出引用
  • 2011年福岛核事故之后,U3Si2作为可代替UO2的核燃料被预测为重要的耐事故燃料.近年来的研究结果表明,U3Si2作为耐事故燃料的候选材料其在微观尺度上进行的模拟还不够深入.在宏观尺度上不足以建立燃料数据库和模型来有效预测U3Si2的一些性能.因此,采用第一性原理计算U3Si2核燃料的一些物理化学数据受到了广泛关注.在之前的工作中,我们采用第一性原理计算拉伸/剪切实验(FPCTT/FPCST)的方法预测了U3Si2在几个低指数晶面/晶向上的理想强度.然而,并未对U3Si2的断裂行为进行过多的解释.因此,本论文通过论述理想拉伸/剪切应变对U3Si2化学键键长及电荷密度分布影响,分析了U3Si2在这几个低指数晶面/晶向上的断裂行为.结果表明:U3Si2在理想拉伸应变的作用下,晶体的破坏主要受化学键变化的影响,而在剪切应变的作用下应变能或应力的突然下降,可能与U3Si2的应变诱导结构相变有关.
    After the Fukushima nuclear accident in 2011, U3Si2 was predicted to be an important accident tolerant fuel that can replace UO2. The results of recent studies have shown that the simulation at the micro-scale of U3Si2 as a candidate for accident tolerant fuel is not deep enough. It is not sufficient to build fuel databases and models at the macro-scale to effectively predict some properties of U3Si2. Therefore, employing the first principles to calculate some physicochemical data of U3Si2 nuclear fuel has received extensive attention. In previous work, we predicted the ideal strength of U3Si2 in several low-index crystal planes/directions by the first-principles computational tensile/shear test (FPCTT/FPCST) approach. However, there was no excess explanation for the fracture behavior of U3Si2. Therefore, in this paper, the effect of ideal tensile/shear strain on the chemical bond length and charge density distribution of U3Si2 was discussed to analyze the fracture behavior of U3Si2 in these low-index crystal planes/directions. The effect of strain was achieved by applying incremental simulation elements on the specified crystal planes/directions. The crystal structure of U3Si2 under different strains was optimized using the first principles based on density functional theory. The variation range of chemical bond length and the charge density distribution of U3Si2 under different ultimate strains were summarized and calculated respectively. The results show that the elongation of the U-U bond is the main contributor to the tensile deformation of U3Si2 in the[100] crystal direction under tensile load. The toughness of U3Si2 in the[001] crystal direction is mainly due to the elongation of the U-Si bond and U-U bond. However, the tensile deformation produced in the[110] crystal direction of U3Si2 is mainly related to the elongation of the Si-Si bond. In the (100)[010] slip system, U3Si2 has a large amount of deformation and the crystal breaks when the Si-Si bond length reaches the limit of 3.038 Å. For the (001)[100], (110)[10] and (001)[110] slip systems of U3Si2, the crystal is broken under small shear deformation, and the change of its bond length is not obvious, reflecting that the sudden decrease of the strain energy or stress in these several slip systems may be related to the strain-induced structural phase transition of U3Si2.
  • [1]

    Miao Y B, Harp J, Mo K, Kim Y S, Zhu S, Yacout A M 2018 J. Nucl. Mater. 503 314

    [2]

    Srinivasu K, Modak B, Ghanty T K 2018 J. Nucl. Mater. 510 360

    [3]

    Zhang Y F, Andersson A D R 2017, A thermal conductivity model for U­Si compounds. doi:10.2172/1342838

    [4]

    Liu R, Zhou W Z, Cai J J 2018 Nucl. Eng. Des. 330 106

    [5]

    Beeler B, Baskes M, Andersson D, Cooper M W D, Zhang Y F 2017 J. Nucl. Mater. 495 267

    [6]

    Kim Y S 2012 Comprehensive Nuclear Materials(Oxford:Elsevier) pp391-422

    [7]

    Birtcher R C, Wang L M 2011 MRS Proceedings 235 467

    [8]

    Rest J 1997 J. Nucl. Mater. 240 205

    [9]

    Yao T K, Gong B W, He L F, Harp J, Tonks M, Lian J 2018 J. Nucl. Mater. 498 169

    [10]

    Carvajal-Nunez U, Saleh T A, White J T, Maiorov B, Nelson A T 2018 J. Nucl. Mater. 498 438

    [11]

    Jossou E, Eduok U, Dzade N Y, Szpunar B, Szpunar J A 2018 Phys. Chem. Chem. Phys. 20 4708

    [12]

    Wang T, Qiu N X, Wen X D, Tian Y H, He J, Luo K, Zha X H, Zhou Y H, Huang Q, Lang J J, Du S Y 2016 J. Nucl. Mater. 469 194

    [13]

    Noordhoek M J, Besmann T M, Andersson D, Middleburgh S C, Chernatynskiy A 2016 J. Nucl. Mater. 479 216

    [14]

    Chattaraj D, Majumder C 2018 J. Alloy. Compd. 732 160

    [15]

    Liu H, Claisse A, Middleburgh S C, Olsson P 2019 J. Nucl. Mater. 527 151828151828

    [16]

    Remschnig K, Le Bihan T, Noël H, Rogl P 1992 J. Solid State Chem. 97 391

    [17]

    Miyadai T, Mori H, Oguchi T, Tazuke Y, Amitsuka H, Kuwai T, Miyako Y 1992 J. Magn. Magn. Mater. 104-107 47

    [18]

    Wang K, Qiao Y J, Zhang X H, Wang X D, Zhang Y M, Wang P, Du S Y 2021 Eur. Phys. J. Plus 136 409

    [19]

    Roundy D, Krenn C R, Cohen M L, Morris J W 1999 Phys. Rev. Lett. 82 2713

    [20]

    Roundy D, Krenn C R, Cohen M L, Morris J W 2001 Philos. Mag. A 81 1725

    [21]

    Ogata S, Li J, Hirosaki N, Shibutani Y, Yip S 2004 Phys. Rev. B 70

    [22]

    Li X Q, Schönecker S, Zhao J J, Johansson B, Vitos L 2014 Phys. Rev. B 87 291

    [23]

    Hohenberg P, Kohn W 1964 Phys. Rev. 136 B864

    [24]

    Kohn W, Sham L J 1965 Phys. Rev. 140 A1133

    [25]

    Kresse G G, Furthmüller J J 1996 Phys. Rev. B 54 11169

    [26]

    Kresse G, Hafner J 1993 Phys Rev B Condens Matter 47 558

    [27]

    Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

    [28]

    Liechtenstein A I, Anisimov V V, Zaanen J 1995 Phys. Rev. B 52 R5467

    [29]

    Sarma D D, Krummacher S, Hillebrecht F U, Koelling D D 1988 Phys Rev B Condens Matter 38 1

    [30]

    Shih B C, Zhang Y B, Zhang W Q, Zhang P H 2012 Phys. Rev. B 85 045132

    [31]

    Szpunar B 2012 J. Phys. Chem. Solids 73 1003

    [32]

    Setyawan W, Curtarolo S 2010 Comput. Mater. Sci. 49 299

    [33]

    Mei Z G, Miao Y B, Liang L Y, Yacout A M 2019 J. Nucl. Mater. 513 192

    [34]

    Yang X Y, Korzhavyi P A, Liu Y, Wei Q L, Arslanov T R, Wärnå J P A, Yang Y, Zhang P 2022 Prog. Nucl. Energy 148 104229

    [35]

    Zachariasen W H 1949 Acta Crystallogr. 2 94

    [36]

    Smirnov M B, Kazimirov V Y, Rita B H, Smirnov K S, Pereira-Ramos J-P 2014 J. Phys. Chem. Solids 75 115

    [37]

    Manikandan M, Rajeswarapalanichamy R, Iyakutti K 2017 Philos. Mag. 98 1

    [38]

    M I, T L, Bihan, S H, J R 2004 Phys. Rev. B 70 014113

    [39]

    Dubois S M M, Rignanese G M, Pardoen T, Charlier J C 2006 Phys. Rev. B 74 235203

  • [1] 李俊炜, 贾维敏, 吕沙沙, 魏雅璇, 李正操, 王金涛. 氢气在γ-U(100)/Mo表面吸附行为的第一性原理研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.71.20220631
    [2] 王娜, 许会芳, 杨秋云, 章毛连, 林子敬. 单层CrI3电荷输运性质和光学性质应变调控的第一性原理研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.71.20221019
    [3] 付现凯, 陈万骐, 姜钟生, 杨波, 赵骧, 左良. Ti3O5弹性、电子和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.68.20190664
    [4] 付正鸿, 李婷, 单美乐, 郭糠, 苟国庆. H对Mg2Si力学性能影响的第一性原理研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.68.20190368
    [5] 潘新东, 魏燕, 蔡宏中, 祁小红, 郑旭, 胡昌义, 张诩翔. 基于第一性原理计算Rh含量对Ir-Rh合金力学性能的影响. 物理学报, doi: 10.7498/aps.65.156201
    [6] 骆最芬, 岑伟富, 范梦慧, 汤家俊, 赵宇军. BiTiO3电子结构及光学性质的第一性原理研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.64.147102
    [7] 石瑜, 白洋, 莫丽玢, 向青云, 黄亚丽, 曹江利. H掺杂α-Fe2O3的第一性原理研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.64.116301
    [8] 蒋先伟, 鲁世斌, 代广珍, 汪家余, 金波, 陈军宁. 电荷俘获存储器数据保持特性第一性原理研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.64.213102
    [9] 嘉明珍, 王红艳, 陈元正, 马存良, 王辉. Al, Fe, Mg掺杂Li2MnSiO4的电子结构和电化学性能的第一性原理研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.64.087101
    [10] 代广珍, 代月花, 徐太龙, 汪家余, 赵远洋, 陈军宁, 刘琦. HfO2中影响电荷俘获型存储器的氧空位特性第一性原理研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.63.123101
    [11] 周鹏力, 史茹倩, 何静芳, 郑树凯. B-Al共掺杂3C-SiC的第一性原理研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.62.233101
    [12] 宋庆功, 刘立伟, 赵辉, 严慧羽, 杜全国. YFeO3的电子结构和光学性质的第一性原理研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.61.107102
    [13] 汝强, 李燕玲, 胡社军, 彭薇, 张志文. Sn3InSb4合金嵌Li性能的第一性原理研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.61.038210
    [14] 梁培, 刘阳, 王乐, 吴珂, 董前民, 李晓艳. 表面悬挂键导致硅纳米线掺杂失效机理的第一性原理研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.61.153102
    [15] 胡玉平, 平凯斌, 闫志杰, 杨雯, 宫长伟. Finemet合金析出相-Fe(Si)结构与磁性的第一性原理计算. 物理学报, doi: 10.7498/aps.60.107504
    [16] 张易军, 闫金良, 赵刚, 谢万峰. Si掺杂β-Ga2O3的第一性原理计算与实验研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.60.037103
    [17] 李世娜, 刘永. Cu3N弹性和热力学性质的第一性原理研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.59.6882
    [18] 祝国梁, 疏达, 戴永兵, 王俊, 孙宝德. Si在TiAl3中取代行为的第一性原理研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.58.210
    [19] 倪建刚, 刘 诺, 杨果来, 张 曦. 第一性原理研究BaTiO3(001)表面的电子结构. 物理学报, doi: 10.7498/aps.57.4434
    [20] 姚红英, 顾 晓, 季 敏, 张笛儿, 龚新高. SiO2-羟基表面上金属原子的第一性原理研究. 物理学报, doi: 10.7498/aps.55.6042
计量
  • 文章访问数:  189
  • PDF下载量:  6
  • 被引次数: 0
出版历程

理想拉伸/剪切应变对U3Si2化学键键长及电荷密度分布影响的第一性原理研究

  • 1) (哈尔滨工程大学 材料科学与化学工程学院, 哈尔滨, 150001) 2) (中国科学院宁波材料技术与工程研究所先进能源材料工程实验室, 宁波, 315201)

摘要: 2011年福岛核事故之后,U3Si2作为可代替UO2的核燃料被预测为重要的耐事故燃料.近年来的研究结果表明,U3Si2作为耐事故燃料的候选材料其在微观尺度上进行的模拟还不够深入.在宏观尺度上不足以建立燃料数据库和模型来有效预测U3Si2的一些性能.因此,采用第一性原理计算U3Si2核燃料的一些物理化学数据受到了广泛关注.在之前的工作中,我们采用第一性原理计算拉伸/剪切实验(FPCTT/FPCST)的方法预测了U3Si2在几个低指数晶面/晶向上的理想强度.然而,并未对U3Si2的断裂行为进行过多的解释.因此,本论文通过论述理想拉伸/剪切应变对U3Si2化学键键长及电荷密度分布影响,分析了U3Si2在这几个低指数晶面/晶向上的断裂行为.结果表明:U3Si2在理想拉伸应变的作用下,晶体的破坏主要受化学键变化的影响,而在剪切应变的作用下应变能或应力的突然下降,可能与U3Si2的应变诱导结构相变有关.

English Abstract

目录

    /

    返回文章
    返回