利用高分辨率透射电镜在UO2双晶中观察到了两种特殊的GBs

烧结材料的力学行为与显微组织中所包含的晶界(GB)性质密切相关。以氧化陶瓷为例，二氧化铀(UO2)是目前在核反应堆中使用最广泛的燃料，由于必须了解燃料的力学行为，以确保反应堆的安全和效率，因此充分表征UO2中的GBs是至关重要的，需要确定UO2多晶体中可以观察到的特殊GB类型。由于实验很难在UO2上进行，因此数值模拟是确定特殊GB特性的主要方法之一。已有报道利用分子动力学模拟了UO2中的特殊GBs，并计算了晶界性质，主要方法均为经典分子动力学中使用经验势来描述原子间的相互作用。虽然构成了一种获得原子间力的有效方法，但与从头计算方法相比，这些势可能缺乏预测性和准确性。因此，必须与实验观测相比较，对用经验势得到的结果进行持续的验证。由于多晶体中的晶界平面不能用标准EBSD(二维)来确定，实验和计算的相对能量之间的联系并不简单。

法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的研究人员首次利用高分辨率透射电镜在UO2双晶中观察到了两种特殊的GBs，并同时计算了它们的原子结构。由于双晶是由定向单晶扩散键合得到的，所以所有的几何参数都是已知的，这使得实验和模拟原子结构之间具有直接关联，从而更真实的描述GB特征。相关论文以题为“Atomicstructure of grain boundaries in UO2 Bicrystals: A coupled high resolution transmission electron Microscopy / Atomistic simulation approach”发表在Scripta Materialia。

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114191

研究发现对铀原子在GB的分布是由铀-氧相互作用造成的。CRG和Yakub势的这种优势与之前的研究一致，这两个势给出了关于UO2中GBs能量的最佳结果。虽然CRG势和Yakub势是刚性离子势，但不考虑电荷转移，这一点已得到证实。这表明在晶界处电荷转移并不占优势。考虑到CRG势也是研究UO2热力学性质的最佳势之一，这进一步证实了原子模拟可以越来越多地用于描述UO2在各种条件下的行为。

图1 GBs ∑5(031)/[100]-36.86°和∑5(021)/[100]-53.13°的HR-TEM图像

图2 利用CRG势得到了GBs ∑5(031)/[100]-36.86°和∑5(021)/[100]-53.13°的弛豫构型

图3 利用CRG势对∑5(031)/[100]-36.86°和∑5(021)/[100]-53.13°的HR-TEM图和模拟进行比较

图4利用(a) Morelon、(b)Potashhnikov和(c) Yakub势，得到GB ∑5(031)/[100]-36.86°的弛豫构型

本研究首次将高分辨率透射电镜和原子尺度的数值模拟相结合，分析了二氧化铀(UO2)双晶体中两个∑5对称倾斜晶界的原子结构。证明了∑5(021)/[100]是完全对称的，晶界面形成镜像对称，而在∑5(031)/[100]中晶体之间存在平移。在实验观察和模拟结构之间的一致性证实了耦合方法的相关性。这一结果强调了利用CRG和Yakub经验势可以模拟UO2的行为。前人在CeO2中进行了相同晶界原子尺度上的实验和模拟观测，表明晶界上的氧空位对晶界的稳定性起着至关重要的作用。即使铀原子在价层方面的行为与铈原子不同，关于UO2在这一点上的行为研究也是有前景的。本文为模拟和实验结合研究氧化陶瓷材料提供了理论基础。（文：破风）

审核编辑 ：李倩