[发明专利]一种传统金属材料吸氢反应的模拟方法

说明书

本发明公开了一种传统金属材料吸氢反应的模拟方法。该模拟方法包括以下步骤：(1)计算金属材料的晶格参数及形成能；(2)利用计算模拟或以往实验结果确定氢原子在金属材料中的占据位置；(3)建立不同氢浓度的金属超胞计算模型，获取吸氢能力曲线，即氢浓度与金属‑氢体系生成热的关联曲线；(4)评估金属材料的吸氢能力。重复上述步骤，能有效地筛选出性能优异的储氢材料。通过本发明的方法可简单快捷地评估金属材料的吸氢能力，具有重要实际应用价值。

技术领域

本发明涉及一种传统金属材料吸氢反应的模拟方法，特别涉及一种金属材料储氢性能评估及其筛选方法，属于储氢材料技术领域。

背景技术

随着环境污染的日益严重和能源危机的不断加剧，开发和利用清洁的可再生的新能源受到世界各国的广泛关注。目前天然气和煤炭等化石燃料是主要能源，但它们的大量使用打破了生物圈中碳循环的平衡。为了减轻环境污染，促进社全可持续发展，大力发展与氢有关的核能和氢能成为缓解世界能源危机的两种重要途径。

核能被称为人类最具希望的未来能源之一。人们可通过重元素的裂变以及轻元素的聚变开发核能。其中与氢有关的核聚变由于反应产生物质简单，释放能量巨大而更为突出。核聚变反应是在高温条件下，两个拥有极高热速度的轻核相互碰撞后，生成一个较重的原子核，同时释放巨大的能量。反应燃料是从海水中提炼的氢的同位素氘，在海洋中具有相当巨大的储藏量。按照每升海水中的氘用于发生聚变反应释放的能量相当于300升汽油燃烧的热量估计，海水里氘聚变产生的核能足够人类使用上百亿年。另一方面，氢能也作为一种理想的能源也在不断地被开发。它具有使用能效高，废弃物产生少，资源丰富，燃烧热值高等众多优点。发展氢能不仅是提高能效，降低石油消费，保证能源安全，改善生态环境的重要手段，而且它多样的存在形式能适应各种环境的贮运，势必保证它在未来的新能源发展中占据重要的地位。

以上两种能源的应用不可避免地涉及到吸氢反应。核反应的环境中存在着腐蚀氢、溶解氢、辐射氢和加入氢，这些氢进入包壳层材料会发现相变和氢脆现象。另外，储氢材料为可逆地吸收和释放氢气的材料。随着吸氢和放氢过程的进行，材料的微观组织受到很大的影响，如晶格膨胀和力学性能的改变(剪切模量和杨氏模量等)。因此，选择具有较强吸氢能力的材料是保证氢的存储和运输安全便捷的必要条件。

长期以来，实验一直致力于探索材料结构、组织、性能的内在关联。这种研究方法耗时长且成本高。随着近代的物理理论和计算机技术的深入发展，计算材料学技术得到了飞速发展，使得计算机模拟成为新材料研制的重要手段。计算机模拟的过程仅在计算机上即可完成，且不受实验条件、时间和空间的限制，具有极强的灵活性和随机性。计算机模拟既可以辅助实验探讨问题的本质，还可以预测实验的结果，甚至能够模拟实验无法达到的极限条件下材料的物理化学性质。

因此，设计一种传统金属材料吸氢反应的模拟方法有助于更简捷方便地筛选出性能优异的储氢材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种传统金属材料吸氢反应的模拟方法，通过该方法可以简单快捷地筛选出性能优异的储氢材料，以降低实验操作的复杂性以及研究工作的投入成本，从而加速新材料的研究与开发。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种传统金属材料吸氢反应的模拟方法，包括以下步骤：

(1)计算金属材料的晶格参数及形成能。利用计算材料学方法计算金属材料晶格参数及形成能，探索材料的基态。金属材料的晶体结构为实验中可能存在的各种相。

(2)利用计算模拟或以往实验结果确定氢原子在金属材料中的占据位置。通过放置氢原子于不同结构原胞的不同间隙位置进行结构弛豫优化，能确定氢在金属材料中的可能占据位置，或根据以往实验结果直接确定氢在金属中的占据位置。