【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在現(xiàn)代汽車制造中，高強(qiáng)度鋼因其優(yōu)越的機(jī)械性能、成形性、低成本以及便于防腐處理的特點(diǎn)，仍然是汽車車身的主要材料。然而，隨著鋼材強(qiáng)度的提高，其對(duì)氫脆的抵抗力卻往往降低，給汽車安全帶來了新的挑戰(zhàn)。研究顯示，氫在晶格缺陷中的聚集是導(dǎo)致氫脆的主要原因。因此，如何有效控制氫的擴(kuò)散和捕獲，成為當(dāng)今鋼鐵研究的重要課題。在此背景下，最新的研究聚焦于碳化釩在高強(qiáng)度鋼中的作用。然而，關(guān)于碳化釩析出物的氫捕獲機(jī)制，目前仍存在諸多爭議。中國科學(xué)院力學(xué)所的彭慶研究員與東北大學(xué)的唐帥教授的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，通過第一性原理計(jì)算，系統(tǒng)分析了碳化釩晶格中不同間距碳空位的氫捕獲和擴(kuò)散行為。
 

　　研究結(jié)果表明，碳空位在氫原子的捕獲和擴(kuò)散過程中扮演了關(guān)鍵角色。單個(gè)碳空位能夠有效捕獲氫原子，而當(dāng)多個(gè)碳空位相鄰時(shí)，氫的捕獲能力則顯著增強(qiáng)。這一發(fā)現(xiàn)為改進(jìn)高強(qiáng)度鋼的氫脆抗性提供了新的思路。研究還發(fā)現(xiàn)，碳空位作為強(qiáng)氫陷阱，能夠有效阻止氫的逃逸，從而提升材料的穩(wěn)定性。此外，氫通過連接碳空位在碳化釩析出物內(nèi)部擴(kuò)散，可實(shí)現(xiàn)碳化物內(nèi)部的氫捕獲。這樣的結(jié)果說明，設(shè)計(jì)具有連接碳空位網(wǎng)格的碳化物結(jié)構(gòu)，能更有效地提高碳化物的氫捕獲能力。通過與熱脫附譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，研究驗(yàn)證了計(jì)算模型的有效性，發(fā)現(xiàn)氫在碳化物內(nèi)部的擴(kuò)散能壘與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)值相近，進(jìn)一步支持了研究的結(jié)論。
 

　　這項(xiàng)研究不僅為理解氫在高強(qiáng)度鋼中擴(kuò)散和捕獲的機(jī)制提供了新的視角，也為未來鋼鐵材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。研究人員希望通過調(diào)控碳空位的濃度和分布，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度鋼在氫脆環(huán)境中的更好表現(xiàn)，從而為汽車行業(yè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性做出貢獻(xiàn)。
 

　　該研究成果以“First-principles study of hydrogen trapping and diffusion mechanisms in vanadium carbide with connecting carbon vacancies”為題發(fā)表于International Journal of Hydrogen Energy期刊上。東北大學(xué)博士生李林鮮為論文第一作者，彭慶研究員和唐帥教授為通訊作者。此工作得到國家自然科學(xué)基金(12272378和52175293)和力學(xué)所力英計(jì)劃的支持。
 

　　圖1 氫原子在單個(gè)碳空位附近的擴(kuò)散。氫原子擴(kuò)散到碳空位和從碳空位逸出的擴(kuò)散路徑(a1)-(a3)和能壘圖(b)。
 

　　圖2 三個(gè)連接碳空位的氫捕獲與擴(kuò)散。(a)三碳空位構(gòu)型和(b)碳空位的氫捕獲，以及氫原子的擴(kuò)散路徑(c)及能壘(d)。
 

　　圖3 三個(gè)連接碳空位的多氫擴(kuò)散。第一種擴(kuò)散路徑(a)及能壘(b)；第二種擴(kuò)散路徑(c)及能壘(d)。
 

　　圖4 不同空位間距下的電子局域函數(shù)云圖。(a)2.95 Å，(b)5.09 Å，(c)5.89 Å，(d)7.20 Å。