H原子在完美δ-Pu金属体相中的扩散行为

采用密度泛函理论的广义梯度近似方法计算了H原子在δ-Pu金属体相中可能稳定存在间隙位置的嵌入能.计算结果表明,八面体间隙是H原子最稳定存在位置,无自旋极化和自旋极化水平的嵌入能分别为-3.12和-2.22eV.四面体间隙位的嵌入能相对稍大,是次稳定存在位置.通过能量分析推测了单个H原子在完美δ-Pu金属中可能的扩散路径和扩散能垒.最可能扩散路径为相邻不同间隙位的交替扩散,八面体间隙到四面体间隙的扩散能垒为1.06eV,而四面体间隙到八面体间隙的扩散能垒为0.38eV.另外沿平行晶轴方向四面体间隙到四面体间隙交替直线扩散的能垒为1.83eV,八面体间隙到八面体间隙交替扩散路径的能垒最高,为2.52eV.

H原子在δ-Pu(100)面吸附行为的周期性密度泛函理论研究

采用密度泛函理论结合平板周期性模型研究了H原子在δ-Pu(100)面上的吸附行为.方法为广义梯度近似(GGA),同时考虑了自旋极化和无自旋极化两种情况.通过对不同吸附位置的吸附能和平衡几何结构比较发现,吸附属于较强的化学作用,心位吸附最稳定,桥位次之,顶位最不稳定.在无自旋极化水平,H原子吸附位距离Pu表面0.063nm,吸附能-3.16eV.考虑自旋极化时,H原子位于Pu表面正上方0.060nm处,吸附能为-2.26eV.与H配位的Pu原子数目是决定吸附过程的主要因素,配位的Pu原子数目越多,吸附越稳定.Mulliken电荷布局分析表明H和Pu表面的作用主要发生在第一层,另外两层几乎没有影响.H原子在钚表面的吸附造成了钚金属表面功涵的明显增加.

H_2在δ-Pu(100)表面吸附的第一原理研究

采用密度泛函理论结合平板周期性模型研究了H2在δ-Pu(100)表面的吸附行为.结果表明,H2在该表面最稳定的吸附方式为洞位垂直吸附,吸附能为0.183eV,距离表面最近的H原子与表面垂直距离为0.378nm.吸附的H2分子的键长增加、H—H键伸缩振动频率的红移都不明显.只有极少量电子从第1层的Pu原子流向H2分子,吸附引起的表面功函增加也不明显.这说明δ-Pu(100)面分子态H2的吸附属于较弱的物理吸附.讨论了离解吸附的热力学可能性,H2分子的吸附趋向于离解成2个原子态H的吸附,离解后的H原子优先吸附于洞位,此时吸附为较强的化学吸附.

CO在δ-Pu(111)面吸附行为的周期性密度泛函理论研究

利用量子化学中的密度泛函理论结合周期模型方法研究了CO分子在δ-Pu(111)面的吸附行为.通过对不同吸附位置的吸附能和平衡几何结构比较发现,CO分子在δ-Pu(111)面的吸附C端吸附比O端吸附更有利,属于较强的化学作用,最稳定的吸附方式为心式垂直吸附,桥式次之,顶式最不稳定.心式垂直吸附的吸附能为-1.236eV,C原子吸附位距离Pu表面0.2122nm,C—O键长0.1208nm.CO与Pu配位数目是决定化学吸附的主要因素,配位的Pu原子数目越多,化学成键越稳定.Mulliken电荷分析表明CO和Pu表面的作用主要发生在第一层,另外两层几乎没有影响.

基于氦泡与位错密度演化的老化δ-Pu静力学本构模型

δ-Pu材料由于钚元素a衰变发生自辐照老化，随着老化时间增加，材料微结构和宏观力学性质发生变化．氦泡作为自辐照的主要产物，通过阻碍位错运动实现对δ-Pu力学性质的影响．文中首先通过钚材料级联衰变规律建立氦泡体积分数与老化时间的关系，然后将氦泡对位错运动临界剪切应力的影响和氦泡长大规律引入本构方程，获得基于位错密度演化的δ-Pu静力学本构方程组．拟合实验数据得到本构模型参数．最后，通过模型计算获得不同老化时间下δ-Pu的应力应变关系．

α-Pu和δ-Pu电子结构的密度泛函理论计算

采用密度泛函理论框架下的平面波赝势方法,对α-Pu和δ-Pu的电子结构进行了对比研究。由电荷布居分析可知,α-Pu中8种位置的原子的轨道电荷分布各不相同,净电荷的得失主要由s和p电子贡献,而δ-Pu中各原子的轨道电荷分布一致,且无净电荷的得失;由态密度可知,α-Pu的态密度主峰较δ-Pu的态密度主峰峰值更低、宽度更宽,表明α-Pu中平均键能强于δ-Pu,导致其更难发生塑性形变。此外,α-Pu电子的能量总体上低于δ-Pu电子的,这也是α-Pu的室温稳定性高于δ-Pu的重要原因。α-Pu中8种不同位置Pu原子的分波态密度的计算结果表明,8号位置Pu原子的5f电子关联性最强,对α-Pu的自旋矩贡献最大,而1号位置Pu原子的5f电子关联性最弱,对自旋矩的贡献最小;由电荷密度图可知,δ-Pu的电子云为均匀的球形,无明显的相互作用,呈现典型的金属键特征,而α-Pu的电子云发生重叠,相互作用明显,具有共价行为,这也在一定程度上揭示了两者呈现不同延脆性机制。

δ-Pu空位缺陷的密度泛函理论计算

采用密度泛函理论框架下的平面波赝势方法,计算了空位缺陷对δ-Pu结构稳定性和电子结构的影响.建立了1×1×2、2×2×1和2×2×2 3种晶胞中的空位缺陷模型,分别计算了其晶格常数、空位形成能、结合能、态密度、电荷密度分布以及Mulliken电荷布居.计算结果表明:空位缺陷在δ-Pu中不能稳定存在,且会导致晶体的整体结构稳定性降低.在3种缺陷模型中,2×2×1的模型空位稳定性和结构稳定性都相对更强;空位导致δ-Pu电子的局域性降低,电子相互作用也发生了一定的变化,其中2×2×1的模型中与空位最邻近的Pu原子发生了明显的sp杂化,这在一定程度上说明了其稳定性最强的原因;空位引起电荷由近空位端向近Pu端转移,且导致最邻近Pu原子失去电子,而这部分电子主要由6p轨道贡献.

氧原子在δ-Pu(111)表面的吸附结构和电子态

采用周期性密度泛函理论研究氧原子在δ-Pu(111)表面的吸附行为,方法为广义梯度近似(GGA),考虑了自旋极化和自旋限制不同情况。结果表明O在δ-Pu(111)面的吸附属于较强的化学作用,吸附稳定性为心式1≈心式2>桥式>顶位。2种心式位的吸附能和平衡结构几乎没有差别,化学吸附能为-6.153 eV(自旋极化)和-7.454 eV(自旋限制),O都距离表面0.131 nm。与O配位的Pu原子数目是决定化学吸附过程的主要因素,配位的数目越多,化学成键越稳定。Mulliken电荷布局分析表明,Pu和O的作用主要发生在第1层,另外2层没有影响。O原子的吸附使钚金属表面功涵增加。O的吸附为较强的离子键作用,电子相互作用主要为O_2p与Pu5f、Pu7s、Pu6d杂化轨道相互作用。

CO在δ-Pu(100)表面的吸附结构和电子态

用密度泛函理论(DFT)研究了CO分子在δ-Pu(100)面的吸附结构和电子态.吸附计算结果表明,自旋极化和无自旋极化水平下,CO/Pu(100)最稳定的吸附方式均为C端心位垂直吸附,吸附能分别为-1.754 eV(自旋极化)和-1.780 eV(无自旋极化).其次是象桥位>桥位垂直>顶位垂直.平行吸附方式均翻转为相应的C端垂直或象桥位,说明此时分子处于一个动力学很不稳定的位置.顶位垂直、桥位垂直、象桥位和心位垂直四个吸附结构的吸附能差均小于0.2 eV,表明在限定的温度范围内CO在Pu(100)表面是几种吸附态并存.CO与Pu配位数目是决定化学吸附的主要因素,配位的Pu原子数目越多,化学成键越稳定.CO分子与表面Pu原子相互作用的本质是CO分子的4σ、5σ和2π*轨道与Pu5f、Pu7s、Pu6d、Pu6p杂化轨道相互作用而生成新的化学键.

氧原子在完美δ-Pu金属体相中扩散行为的密度泛函研究

采用密度泛函广义梯度近似方法计算O原子在δ-Pu金属体相中可能存在间隙位的结构和嵌入能。O原子稳定居于间隙位中心,使离其最近的一圈钚原子向外扩张。八面体间隙位最稳定,无自旋极化和自旋极化水平的嵌入能分别为-7.205 eV和-6.140 eV。四面体间隙位嵌入能相对稍大,是次稳定存在位置。通过不同扩散路径上的能量分析推测单个O原子在完美δ-Pu金属中的可能扩散路径。最可能扩散路径为相邻不同间隙位之间的交替扩散,八面体间隙到四面体间隙的扩散能垒为1.12 eV,而四面体间隙到八面体间隙的扩散能垒为2.72 eV。另外沿平行晶轴方向四面体间隙到四面体间隙交替直线扩散的能垒为6.40 eV,八面体间隙到八面体间隙交替扩散路径的势垒最高,大小为8.85 eV。

δ-Pu(111)表面CO吸附位的第一原理研究

采用密度泛函理论(DFT)结合周期模型方法研究了CO分子在δ-Pu(111)面的吸附行为。计算结果表明,CO/Pu(111)最稳定的吸附方式为C端hcp心式垂直吸附,其吸附能为-1.764 eV(自旋极化)和-1.791(无自旋极化)。fcc心式垂直吸附为次稳定吸附态,吸附能与hcp心式垂直吸附相差很小。CO与Pu配位数目是决定化学吸附的主要因素,配位的Pu原子数目越多,化学成键越稳定,两者间的相互作用主要源于CO分子杂化轨道和Pu原子杂化轨道的贡献。在较低温度下CO在Pu(111)表面倾向于以分子态吸附。

O_2在δ-Pu(100)表面吸附行为的第一原理研究

采用密度泛函理论结合周期性平板模型研究了O_2分子在δ-Pu(100)表面的吸附行为。结果表明O_2在δ-Pu表面吸附时分子键长增加并最终断裂,离解成2个原子态吸附,离解后的氧原子以心位和桥位吸附优先。最可能的吸附过程为:桥位平行吸附后2个氧原子处于2个心位;心位平行吸附的O_2分子通过旋转平移后,离解为一个心位和一个桥位吸附的氧原子。吸附能大小为2个氧原子的吸附能减去氧分子离解能。自旋限制和自旋极化2种水平计算获得的最稳定吸附方式吸附能分别为8.14 eV和7.29 eV。离解吸附后的电荷布局数,诱导表面功函、电子态等和单个O原子吸附结果一致。

Ga掺杂δ-Pu的密度泛函理论计算

δ-Pu为Pu的高温相,掺杂少量的Ga即可使其在室温下稳定存在.本文采用密度泛函理论方法,对不同掺杂量体系进行晶体结构和电子结构计算,主要包括体系的晶格常数、密度、形成能、态密度、电荷密度和Mulliken布居分析.结果表明：在研究范围内,Ga掺杂后,体系晶格常数降低,密度增大,6.25%（原子百分比,下同）掺杂量体系的稳定性高于3.125%和12.5%掺杂量的体系;Ga掺杂使得Pu周围体系电子的局域性增强,成键能力增强,揭示了Ga稳定δ-Pu的电子机制.Ga和Pu之间为金属键,发生的作用主要由Pu的7s、6p、6d和Ga的4s、4p轨道电子贡献,但这种成键作用相对较弱,使得掺杂体系可以保持原有的力学性能和机械加工性能.Ga对δ-Pu的稳定作用主要在于改善Pu原子的成键性能,而不是与Pu原子直接成键.

高压下δ-Pu结构稳定性、力学性能与电子结构的密度泛函理论计算

采用密度泛函理论框架下的赝势平面波法,计算了δ-Pu在基态和高压下的晶格常数、结合能、力学性能以及电子结构。计算结果表明δ-Pu为高压不稳定相,在10GPa左右就会发生相变,且随压强增大,其结构稳定性降低。通过对电子结构的分析,发现随压强的增大,5f和6d电子的成键能力增强,但sp杂化作用减弱。压强增大导致的成键作用变化,揭示了δ-Pu高压相变的电子机制。

FLAPW方法研究δ-钚单层表面几何和电子结构

采用全势线性缀加平面波(FLAPW)方法,在广义梯度近似(GGA)下研究了单层δ-钚(100)和(111)面的几何和电子结构.结果表明,自旋-轨道耦合对平衡几何结构的影响强于自旋极化,与体相相比,表面晶格常数显著收缩,实验上可选择晶格常数相对较小的物质作为δ-钚薄膜的沉积基体.表面原子由于近邻原子数目的减少,5f电子波函数重叠几率的降低,更多地表现出局域化特征,(100)面5f电子的局域化程度强于(111)面.

砂土地基中V-H-M组合荷载下单桩分析方法研究

海上风力发电机的大直径桩通常会受到多向荷载共同作用。在实践设计中,基础的竖向和水平承载性能是独立分开设计的,但大量研究证明竖向荷载对桩基水平承载性能具有重要的影响。将竖向荷载对大直径单桩水平承载性能的影响划分为3部分:(1)竖向荷载对桩周p–y曲线影响;(2)P–(35)效应;(3)桩侧摩阻力引起的反向弯矩。然后,以楔形体模型为基础考虑竖向荷载对桩侧土抗力极限值pu的影响推导了修正p–y曲线计算公式,在传统水平受荷桩的弹性地基梁方程中引入P–(35)效应和桩侧摩阻力引起反向弯矩,建立了均质砂土中承受水平力、竖向力及弯矩三向组合荷载下的单桩的分析方法。并将该方法应用于既有案例,验证了该理论方法的可行性。

FLAPW方法研究δ-钚(001)面的性质

采用FLAPW(全势线性缀加平面波)方法,在广义梯度近似(GGA)、反铁磁(AFM)下研究了δ-钚(001)面的性质。计算得到的表面能系数和功函数分别为0 08eV/ 2和3 15eV,接近其近邻元素α-铀的实验值(0 094eV/ 2和3 4～3 9eV)。与体相原子相比,表层原子由于近邻原子数目的减少,5f-5f和5f-6d轨道波函数重叠、杂化几率降低,5f电子定域化特性增强,局部磁矩增大。表层原子向内收缩2 70%,然而,由于表面弛豫能很小,δ-钚(001)面相当稳定。