燒結材料的力學行為與顯微組織中所包含的晶界(GB)性質密切相關。以氧化陶瓷為例，二氧化鈾(UO2)是目前在核反應堆中使用最廣泛的燃料，由于必須了解燃料的力學行為，以確保反應堆的安全和效率，因此充分表征UO2中的GBs是至關重要的，需要確定UO2多晶體中可以觀察到的特殊GB類型。由于實驗很難在UO2上進行，因此數值模擬是確定特殊GB特性的主要方法之一。已有報道利用分子動力學模擬了UO2中的特殊GBs，并計算了晶界性質，主要方法均為經典分子動力學中使用經驗勢來描述原子間的相互作用。雖然構成了一種獲得原子間力的有效方法，但與從頭計算方法相比，這些勢可能缺乏預測性和準確性。因此，必須與實驗觀測相比較，對用經驗勢得到的結果進行持續的驗證。由于多晶體中的晶界平面不能用標準EBSD(二維)來確定，實驗和計算的相對能量之間的聯系并不簡單。

法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學的研究人員首次利用高分辨率透射電鏡在UO2雙晶中觀察到了兩種特殊的GBs，并同時計算了它們的原子結構。由于雙晶是由定向單晶擴散鍵合得到的，所以所有的幾何參數都是已知的，這使得實驗和模擬原子結構之間具有直接關聯，從而更真實的描述GB特征。相關論文以題為“Atomicstructure of grain boundaries in UO2 Bicrystals: A coupled high resolution transmission electron Microscopy / Atomistic simulation approach”發表在Scripta Materialia。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114191

研究發現對鈾原子在GB的分布是由鈾-氧相互作用造成的。CRG和Yakub勢的這種優勢與之前的研究一致，這兩個勢給出了關于UO2中GBs能量的最佳結果。雖然CRG勢和Yakub勢是剛性離子勢，但不考慮電荷轉移，這一點已得到證實。這表明在晶界處電荷轉移并不占優勢。考慮到CRG勢也是研究UO2熱力學性質的最佳勢之一，這進一步證實了原子模擬可以越來越多地用于描述UO2在各種條件下的行為。

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

圖2 利用CRG勢得到了GBs ∑5(031)/[100]-36.86°和∑5(021)/[100]-53.13°的弛豫構型

圖3 利用CRG勢對∑5(031)/[100]-36.86°和∑5(021)/[100]-53.13°的HR-TEM圖和模擬進行比較

圖4利用(a) Morelon、(b)Potashhnikov和(c) Yakub勢，得到GB ∑5(031)/[100]-36.86°的弛豫構型

本研究首次將高分辨率透射電鏡和原子尺度的數值模擬相結合，分析了二氧化鈾(UO2)雙晶體中兩個∑5對稱傾斜晶界的原子結構。證明了∑5(021)/[100]是完全對稱的，晶界面形成鏡像對稱，而在∑5(031)/[100]中晶體之間存在平移。在實驗觀察和模擬結構之間的一致性證實了耦合方法的相關性。這一結果強調了利用CRG和Yakub經驗勢可以模擬UO2的行為。前人在CeO2中進行了相同晶界原子尺度上的實驗和模擬觀測，表明晶界上的氧空位對晶界的穩定性起著至關重要的作用。即使鈾原子在價層方面的行為與鈰原子不同，關于UO2在這一點上的行為研究也是有前景的。本文為模擬和實驗結合研究氧化陶瓷材料提供了理論基礎。（文：破風）

審核編輯 ：李倩