● 摘要
能源问题是全球面临的最紧迫的问题，核聚变能由于具有安全可靠、无污染等优点而被视为人类的持久能源。磁约束核聚变目前面临两个关键问题：一是聚变等离子体的稳定性问题；二是聚变堆的关键材料问题。其中，核聚变反应装置结构材料的选择尤为关键，其设计选择直接决定了ITER及未来反应堆装置运行安全性和结构材料的使用寿命。核聚变堆结构材料工作环境非常苛刻，氘-氚反应产生的14.1MeV中子会在结构材料中发生嬗变反应,产生大量的氢（H）和氦（He）等杂质原子，对材料的力学性能造成严重的破坏。钒（V）是典型的低活化金属，是核聚变堆结构材料的重要候选材料。实验表明氢、氦以及氧（O）等杂质会对V的结构和力学性能产生极大的影响。同时，为了提高V材料的性能，通过添加合金化元素，可以明显改善其性能。因此了解杂质和合金化元素对V结构和力学性能的影响对于结构材料的选择具有重要的意义。本论文应用基于密度泛函理论的第一原理赝势方法，系统研究了杂质（H、He、O）和合金化元素（Cr、Ti）对V结构和力学性能的影响。
我们首先研究了杂质H、He、O在V中的占位和聚集行为。H和He都易于占据四面体间隙，其溶解能分别为-0.23 eV和3.11 eV；而O易于占据八面体间隙，溶解能为-4.94 eV。2个H原子将沿着<110>方向排列，结合能仅为0.04 eV，表明2个H原子之间存在很弱的吸引作用。进一步考虑了V中空位存在的情况，单个H、He、O与空位存在很强的相互吸引作用，其捕获能分别为-0.41 eV、-1.24 eV和-0.48 eV，随着H、He、O原子的增加，H/He/O-空位团簇很容易形成，1个单空位最多能够分别捕获6个H、6个He和2个O原子。
在此基础上，我们进一步利用第一原理拉伸和剪切滑移试验研究了H、He、O对V单晶力学性能的影响。对于V单晶，理论拉伸强度在 [001]方向上为19.1 GPa，而含H、He、O的V单晶理论拉伸强度在[001]方向上分别为13.2 GPa、14.1 GPa和17.4 GPa，强度值分别降低了~31%、~26%和~8.7%，表明杂质H、He、O的存在将降低V单晶的理论拉伸强度。由此可以推断：V中的H/He/O-空位团簇将会对V的理论拉伸强度产生更大的影响。我们对纯V单晶和分别含杂质H、He、O的V单晶沿{110}<111>滑移系进行了剪切滑移研究，结果表明这三种杂质都将使得V单晶的韧性降低。
通过添加合金化元素，可以改善材料的性能。我们以合金化元素Cr和Ti为例，研究了Cr和Ti对于V结构和力学特性的影响。我们首先研究了Cr和Ti在V中的占位特性，结果表明Cr（Ti）在四面体间隙位和八面体间隙位的溶解能分别为2.60 eV（2.97 eV）和2.62 eV（3.07 eV），而Cr和Ti在替代位的溶解能分别为-0.15 eV和-0.28 eV，因此Cr和Ti在V中都倾向于占据替代位。这主要是因为合金化元素具有较大的原子半径，替代位有较大的空间来容纳合金化元素。进一步利用第一原理拉伸和剪切试验研究了Cr和Ti对V单晶力学性能的影响。与本征V单晶相比，Cr1.85V98.15和Ti1.85V98.15合金的理论拉伸强度在 [001]方向上分别为16.4 GPa和18.6 GPa，理论拉伸强度分别降低了~14.1%和~2.6%。我们对纯V单晶、Cr0.35V99.65以及Ti0.35V99.65 合金沿{110}<111>滑移系分别进行了剪切滑移研究，结果表明Cr和Ti都将使V单晶的断裂能 下降，同时使不稳定堆垛层错能 增加， 比值降低说明Cr和Ti都将使得V单晶的韧性降低。
本论文应用第一原理方法研究了杂质H、He、O及合金化元素Cr和Ti对V单晶结构与力学性能的影响，这些结果将为核聚变结构材料的选择和制备提供必要的参考依据。
关键词：钒，杂质，合金化元素，结构，力学性能，第一原理方法