Structure and Thermodynamical Properties of Zirconium hydrides from first-principle
锆合金由于其机械和耐腐蚀性能以及其对中子散射有利的横截面而被用作核燃料包壳材料。然而，在运行条件下，在燃料的水侧的包壳表面附近将存在氢的增加。氢将扩散到包层材料中，并且在某些条件下，例如较低的温度和外部负载，氢将在材料中沉淀出来，并导致众所周知的脆化、起泡和其他不希望的效果。使用相场方法，现在可以模拟金属中的沉淀积累，例如作为氢浓度、温度和外部负载的函数，但该技术依赖于参数的输入，例如金属和基质的形成能。为此，我们已经计算，使用密度泛函理论（DFT）代码GPAW，潜热的融合，以及解决了三个氢化锆多晶型：δ-ZrH 1.6，γ-ZrH，和ε-ZrH 2的晶体结构。
2012-11-05 cond-mat.mtrl-sci
Influence of kinetic effects on terminal solid solubility of hydrogen in zirconium alloys
辐照后锆基核燃料包壳的完整性与氢的溶解度密切相关。综述了氢在锆合金中的溶解度测量技术的发展，并结合已建立的氢在锆合金中的溶解度模型，给出了最终固溶度的计算方法。结果往往允许与已建立的模型不同的解释。另一种定性的方法，提出了一种基于热历史，总氢含量和冷却速率的动力学模型取代固定的TSSp的沉淀的锆氧化物。从一个固定的TSSp到一个动力学限制的TSSd的模型的修改的影响进行了讨论相对于在长期存储的氢化物脆化过程的理解。
2018-09-14 cond-mat.mtrl-sci
Nanoscale characterisation of hydrides and secondary phase particles in Zircaloy-4
氢和金属的相互作用仍然具有工业相关性，并且是创建和支持核反应堆运行安全案例的关键部分。在目前的工作中，我们探讨了储氢和氢化物的形成在锆合金。我们使用扫描透射电子显微镜（STEM），包括能量色散谱（EDS/EDX），电子能量损失谱（EELS），和高分辨率STEM的结构和界面的精细尺度的陶瓷。原子探针断层扫描（APT）进一步支持化学表征。样品用低温聚焦离子束加工（cryo-FIB）制备，在α-Zr基体中含有FeCrZr和FeCrZr第二相粒子（SPP）。主要发现包括表征不同的界面平面的基础上的大小的溶质和化学再分配的溶质提前的合金-金属界面。我们还发现大量（高达6原子%）氢保留在锆基质内的溶液中，并且显示出仅具有17原子%氢的氢化物，这远低于α-相化学计量的氢，表明其是胚胎氢化物。这些发现有助于我们了解氢的分布和纳米级形貌的锆，这可能会影响锆基核燃料包壳的寿命。
2021-09-22 cond-mat.mtrl-sci
Phase-field simulations of the effect of temperature and interface for zirconium $δ\mbox{-}$hydrides
本文通过相场模型研究锆δ-氢化物在613-653K下的析出行为，揭示温度与界面能影响形貌和生长速率，而界面共格性丧失及临界失配度qc决定氢化物取向转变。
2023-11-06 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Characterization of local deformation around hydrides in Zircaloy-4 using conventional and high angular resolution electron backscatter diffraction
锆-4被用作水反应堆的燃料包壳材料，因为它具有良好的机械性能、耐腐蚀性和低热中子吸收截面。然而，锆-4合金的机械性能在使用过程中会由于氢吸收和氢化物形成而降低。这些碳化物是脆性的，并且通常降低材料的强度和韧性，以及增加对延迟氢化物开裂（DHC）的敏感性。在这项工作中，大晶粒锆-4与锆合金制备，然后使用低温离子束抛光，使用等离子体聚焦离子束（pFIB）和宽离子束（BIB）的方法，使制备一个非常高品质的平坦表面，没有优先蚀刻的氢化物或锆金属（通常金相抛光优先删除锆）。然后使用常规和高角分辨率电子背散射衍射（EBSD）分析来探索锆基质和纳米晶之间的形态、变形场和取向关系。收集了四个图用于分析，其包括晶界附近的氢化物：（a）其中氢化物平滑地装饰在三重结附近的两个连接边界上;（b）其中氢化物平滑地装饰边界;（c）界面的平滑装饰和突出到晶粒中的混合物;（d）突出到一个晶粒中的细尺度氢化物。这项工作突出了锆基体中氢化物的不相容性与氢化物和基体的取向关系以及晶界特征密切相关。这些结果可能使增强理解的作用，在断裂以及应力诱导氢化物重取向和DHC的敏感性。
2023-03-15 cond-mat.mtrl-sci
Fabrication of bulk delta-phase Zirconium Hydride from Zircaloy-4 for use as moderators in microreactors
该研究以 Zircaloy-4 为前驱体制备单相块状 δ-ZrH，揭示氢化导致的富 Sn 偏析及其对 Zr(Fe,Cr)₂ Laves 相的影响，为微堆慢化剂开发提供实验依据。
2023-05-03 cond-mat.mtrl-sci physics.space-ph
Hydride growth mechanism in Zircaloy-4: investigation of the partitioning of alloying elements
水基核反应堆的长期安全性部分取决于锆基核燃料的可靠性。然而，氢在使用过程中的逐渐进入使锆合金易于发生延迟氢化物开裂。在这里，我们使用电子背散射衍射和原子探针断层扫描的组合，以调查特定的微观结构特征，从收到的样品和在块α微观结构，之前和之后的电化学充电与氢或氘，然后在400 ℃的低温热处理5小时，然后炉冷却速率为0。原子探针的样品在低温下制备，以避免形成假晶体。我们报告的过程中的样品的热历史的晶粒和晶界的成分演变，以及的方式的增长的局部修改的合金的成分和结构。我们观察到大量的氘留在基质中，即使在缓慢冷却和生长的氘。堆垛层错在生长前沿形成，Sn在晶界-基体界面和这些层错上偏析。我们建议，这种隔离可能有利于进一步增长的氢化物。我们的系统研究使我们能够讨论溶质分布如何影响合金的性能在其使用寿命期间的演变。
2020-09-17 cond-mat.mtrl-sci
Effect of Oxygen on Hydrogen Diffusivity in hcp-Zirconium
锆及其合金是核反应堆中广泛使用的包壳材料。它们在反应器的苛刻工作条件下容易发生氢降解，这就需要对氢化物浓度进行连续监测。在压力管寿命的后期阶段存在氢化物洁净区，这阻碍了通过从压力管表面刮取样品进行的监测过程。我们研究了氧对氢在hcp-Zr中的扩散率的影响，以检查氧减缓氢的扩散从而鼓励氢化物剥蚀区的发生的假设。从研究中，我们发现，氧确实降低了氢在hcp-Zr中的扩散率为中等O浓度，支持这一假设。我们研究了单个H原子的扩散过程，结果表明，扩散率的降低是由跳跃率的降低和几个间隙位点的组合形成的氢陷阱引起的。
2019-09-05 cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph
The effect of cooling rate and grain size on hydride formation in Zircaloy-4
研究了在不同冷却速率下，Zr+[H] -> Zr +氢化物在细小和块状α Zr-4合金中的分布、形貌和结构。我们观察到冷却速度和晶粒尺寸控制了晶粒的相态和分布。块状α（粗晶粒，> 200微米）锆合金-4具有较小的晶界面积与晶粒体积比，并且与细晶粒尺寸（~11微米）材料相比，这显著影响了晶粒的成核和生长。
2018-10-15 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen localization under thermal gradients in hydride forming metals
Quantum Technologies AB（量子技术股份有限公司）
本文提出了一种计算方法，用于研究热梯度下氢在氢化物形成金属中的定位，通过热力学波动理论和固溶度关系，分析氢在固溶体和氢化物相中的分布。
2025-12-29 cond-mat.mtrl-sci
In-situ synchrotron based high energy X-ray diffraction study of the deformation mechanism of δ-hydride in a commercially pure titanium
采用原位高能X射线衍射方法研究了2级工业纯钛充氢后的形变行为。结果表明，衍射峰的展宽是由于相变引起的体积膨胀在晶界内和晶界附近产生了高的内应力和相间应力。第二相具有典型的高强度但脆性的第二相行为，它比基体承担更大的弹性应变，是裂纹最先产生的位置。有趣的是，δ-ε比基体承受更大的应变，特别是在基体屈服后。对纯钛中氢化物变形机制的研究提供了对钛和锆中氢化物变形行为和氢脆的深入了解。
2022-01-25 cond-mat.mtrl-sci
Hydrogen redistribution in Zr-base cladding under gradients in temperature and stress
本文利用定制与通用计算模型分别模拟锆基核燃料包壳中氢的轴向局域化和径向扩散，并结合实验与文献比较，揭示氢再分布导致局部脆化的重要意义。
2025-10-21 cond-mat.mtrl-sci
Models for Metal Hydride Particle Shape, Packing, and Heat Transfer
提出了一种金属氢化物粉末热传导的多物理场模拟方法，包括颗粒形状分布、尺寸分布、颗粒堆积结构和有效导热系数。提出了一种统计几何模型，该模型复制了循环氢化物爆裂实验观察到的颗粒尺寸和形状分布的特征。通过基于能量的结构优化方法模拟了这些颗粒的样本集的准静态致密堆积。这些颗粒堵塞（即，固化），密度（固体体积分数）为0.665+/-0.015 -高于先前的实验估计。有效导热系数的堵塞系统进行了模拟，发现遵循颗粒有效介质理论预测的行为。最后，提出了一种理论，根据最近的实验观察堵塞的细粉包装的双孔粘性粉末的属性，本系统。这个理论产生定量的实验协议与各种成分的金属氢化物粉末。
2012-05-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Mutual Influence of Different Hydrogen Concentration in α-Zirconium System with Vacancies
锆合金的氢脆是核反应堆安全壳面临的主要挑战之一，它会导致材料力学性能的急剧下降。虽然以往的许多研究探讨了高氢浓度下的氢脆机理，但很少有研究集中在低氢浓度下的氢脆机理，这是在氢形成之前（仅在氢络合物状态下）。本研究旨在阐明氢络合物的形成机理。用ABINIT软件包计算了形成能Evac、结合能EH、EH-vac。对于处于不同晶格态的氢原子，我们得到了EH-vac从26.3%增加到84.6%，EH-vac从40.6%增加到119.3%。这表明，由于氢原子进入晶格，使得原始Zr原子之间的键被削弱，更有可能形成空位。此外，空位使氢原子和Zr原子更紧密地连接，并进一步增加空位的形成。因此，氢络合物容易在晶格中膨胀，氢络合物的脆性成为氢脆的主要原因。
2018-11-24 cond-mat.mtrl-sci
Optical properties of dense zirconium and tantalum diborides for solar thermal absorbers
超高温陶瓷（UHTCs）是在极端条件下用于各种应用的有趣材料。本文报道了高密度、纯二硼化锆和二硼化钽的生产和广泛的表征，特别关注它们在热太阳能领域的潜在应用。单片体样品是由火花等离子烧结从元素反应物或使用金属二硼化物粉末先前通过自蔓延高温合成（SHS）合成。比较了两种加工方法所得产品的显微组织和光学性能。我们发现，纯二硼化物显示出良好的光谱选择性，这是一个有吸引力的太阳能吸收应用的特性。没有，或非常小的，在光学性能的差异已被证明时，采用的两个调查过程中的制造致密的TaB2和ZrB2，分别进行了比较。
2018-03-17 cond-mat.mtrl-sci
High-Entropy Hydrides for Fast and Reversible Hydrogen Storage at Room Temperature: Binding-Energy Engineering via First-Principles Calculations and Experiments
尽管人们对固态氢化物形式的氢的紧凑和安全储存有很高的兴趣，但在室温下在接近大气压的压力下可逆和快速储存氢的合金的设计是一个长期的挑战。在这项研究中，第一性原理计算与实验相结合，开发高熵合金（HEAs）的室温储氢。设计并合成了具有Laves相结构和低氢结合能（-0.1 ~-0.15eV）的TixZr_（2-x）CrMnFeNi（x = 0.4-1.6）合金。HEAs在室温下以Laves相的形式可逆地储存氢，而（去）氢化压力随着锆分数的增加而系统地降低，与结合能计算结果良好一致。氢化动力学快速，氢化发生无需任何活化或催化处理，储氢性能保持稳定至少1000次循环，并且存储容量高于商业LaNi 5。目前的研究结果表明，理论计算和实验相结合是一个有前途的途径，以设计新的高熵的高性能储氢。
2023-01-07 cond-mat.mtrl-sci
AB-Type Dual-Phase High-Entropy Alloys as Negative Electrode of Ni-MH Batteries: Impact of Interphases on Electrochemical Performance
本文对比研究两种AB型高熵合金在Ni-MH电池中的循环储氢性能，揭示双相结构及相界面通过提供氢通道与成核位点显著提升活化速率、降低阻抗并提高放电容量。
2024-05-09 cond-mat.mtrl-sci
Two-stage Hydrogen Compression Using Zr-based Metal Hydrides
采用高频感应悬浮炉，在氩气保护下，由纯元素经熔炼和再熔炼制备了含有相同类型A、B金属的Zr基AB_2-Laves相型合金。通过粉末X射线衍射（XRD）测量和SEM/EDX分析对合金进行了表征。使用高压Sievert型仪器，在20和90 ℃下记录了系统的PCI（压力-组成-等温线）测量。本研究的目的是寻找一系列具有合适性能的快速形成金属间化合物（MH）的合金，以建造MH基氢压缩机，在20 ~100 ℃之间以相同的方式工作。
2012-07-15 cond-mat.mtrl-sci
The preparation of Zr-deuteride and phase stability studies of the Zr-D system
用高分辨中子衍射原位研究了25-286 $\celsius$温度范围内锆-氘系统中的氘相。该研究主要集中于在被氘化至氘/Zr比为1：1的商业级Zr粉末中在180 $\celsius$下观察$δ\rightarrow γ$转变，以及在255 $\celsius$下观察包析反应$α+ δ\leftrightarrow γ$。还详细描述了通过高温气体加载制备氘化锆的路线。采用Rietveld和Pawley修正方法，通过全谱晶体结构分析确定了$α$ -Zr、$δ$ -ZrD $_x$和$ε$ -ZrD $_x$的晶格参数，与文献报道的值吻合较好.在286 $\celsius$热处理和缓慢冷却后，在氘代Zr粉末中原位和非原位观察到有争议的$γ$ -氢化物相。
2017-01-09 cond-mat.mtrl-sci
Quantification challenges for atom probe tomography of hydrogen and deuterium in Zircaloy-4
分析和理解氢在金属中的作用是材料科学未来的一个重大挑战，这是原子探针层析成像（APT）界最近工作的一个明确目标。通过氘化的同位素标记通常被提议作为能够通过APT量化氢的优选途径。锆-4合金在相同的条件下电化学充氢和氘，形成大的氘和氘。我们从Zr氢化物和Zr氘化物得到的结果突出了与氢和氘的准确定量相关的挑战，特别是与低质荷比下的峰和含氢/氘的分子离子的峰的重叠相关的挑战。我们讨论了可能的方法，以确保适当的信息是从APT分析氢的锆合金系统，这是重要的核电。
2019-02-03 cond-mat.mtrl-sci
Structural, Microchemistry, and Hydrogenation Properties of TiMn0.4Fe0.2V0.4,TiMn0.1Fe0.2V0.7 and Ti0.4Zr0.6Mn0.4Fe0.2V0.4 Metal Hydrides
在这项工作中，已经根据化学计量比Ti 1-xAxFe 1-yBy（A \equiv Zr; B \equiv Mn，V）开发了TiFe基合金。研究了钛基合金的氢溶解度特性，以开发用于储氢应用的动态储氢合金。研究了这些合金的贮氢行为，评价了它们的贮氢能力和贮氢动力学。几种活化模式，包括在高温下的氢压下的活化，已被尝试为研磨粉末。为了阐明氢化前后的结构/微观结构特征和化学组成，对样品进行了X射线衍射（XRD）、EDAX -映射分析和扫描电子显微镜（SEM）。通过MATLAB编程对等温线进行了建模。在具有BCC主相的样品上获得了4.3wt%的最大重量密度。计算的反应焓（ΔH）约为4 kJ/mol。
2011-12-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Magnesium hydride films deposited on flexible substrates: Structure, morphology and hydrogen sorption properties
本文用反应等离子体辅助溅射一步制备1.8 μm MgH2柔性薄膜，对比石墨与聚酰亚胺基底，发现石墨上薄膜经28次循环仍完全可逆且不分层。
2023-11-02 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Synthesis, structure and electric conductivity of higher hydrides of ytterbium at high pressure
虽然大多数稀土金属容易形成三氧化二钇，但由于Yb（II）的填充的4f电子壳层的稳定性增加，只有形式上对应于Yb $^{\rm II}$（Yb $^{\rm III}$ H $_4$）$_2$或Yb $_3$ H $_8$的YbH $_{2.67}$仍然是镱的最高氢化物。利用金刚石对顶砧单元方法和同步加速器粉末X射线衍射，我们试图通过金属Yb（在室温和原位加热）和Yb $_3$ H $_8$的氢化来进一步推动这一极限。后者的压缩也被研究在中性压力传输介质，PTM。虽然Yb的原位加热促进了YbH $_2$加x氢化物的形成，但我们没有观察到在H $_2$和He或Ne PTM中压缩的系统之间的明确的定性差异。在所有这些情况下，从P-31 m对称性的晶胞到I 4/m和I 4/mmm系统的一系列相变都发生在约100 μ m内。13至18 GPa和27 GPa左右。同时，在H $_2$ PTM中压缩的体系的分子体积约为100.比在惰性气体中压缩的那些大1.5%，表明小的氢吸收。然而，氢化到YbH $_3$是不完全的，并且在这里研究的最高压力下不形成聚碳酸酯。75GPa。正如我们在NaCl PTM中压缩下的电子输运测量所指出的，混合价Yb $_3$ H $_8$在至少50 GPa下保持其半导体特性，尽管小于5 meV的非常低的剩余导电激活能表明在进一步压缩下的金属化应该是可以实现的。最后，我们提供…
2022-02-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Oxalate-precursor processing for high quality BaZrO3
BaZrO 3是迄今为止用于高质量单晶YBCO超导体熔融加工的最惰性的坩埚材料。为了克服现有固态方法的加工困难，溶液加工方法在粉末合成中越来越重要。本研究探讨了几种方法生产草酸盐前驱体，随后热分解为BaZrO 3，以期生产高品质的BaZrO 3陶瓷。最有利的系统使用乙酸钡，草酸铵和氯氧化锆，它不像其他以前报道的草酸盐的方法允许接近化学计量沉淀，而不需要大量过量的Ba试剂，升高沉淀温度或缓慢添加试剂。通过改变溶液Ba：[Zr+Hf]摩尔比实现了对沉淀物化学计量的精确控制，而不需要对草酸盐添加进行精确控制。XRF、XRD、N2 BET吸附、DTA/TGA和TEM分析表明，该方法能够制备适合陶瓷应用的BaZrO 3粉末。通过改变化学计量比和煅烧温度，可以调节由这些前驱体煅烧产生的BaZrO 3粉末的相纯度、粒度和表面积。由草酸盐前体形成的坩埚能够容纳Y2 O3-BaCuO 2-CuO熔体长达7天。
2005-03-16 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
Potential ring of Dirac nodes in a new polymorph of Ca$_3$P$_2$
我们报告了一种新的多晶型钙$_3$ P $_2$的晶体结构，并分析了其电子结构。通过Rietveld精修粉末同步辐射X射线衍射数据确定晶体结构。发现Ca $_3$ P $_2$是Mn $_5$ Si $_3$结构类型的变体，与理想的5：3化学计量比相比具有Ca离子缺乏，以产生电荷平衡的化合物。我们还报告了观察到的第二相，钙$_5$ P $_3$ H，其中的Ca和P网站被完全占据和间隙氢化物离子的存在下创建一个封闭的壳层电子精确的化合物。我们表明，通过电子结构计算的钙$_3$ P $_2$的化合物是稳定的状态密度相比，假设的化合物钙$_5$ P $_3$的间隙。此外，计算的能带结构的Ca $_3$ P $_2$表明，它应该是一个三维的狄拉克半金属与一个非常不寻常的环的狄拉克节点在费米能级。狄拉克态以类似于石墨烯的方式被镜面保护以防止间隙打开。结果表明，对Ca $_3$ P $_2$的电子性质的进一步研究将是有意义的.
2015-04-07 cond-mat.mtrl-sci
