Теоретичні аспекти дифузії водню в металах

Анотація.

Актуальність. Дифузії водню в металах приділено багато уваги і в останні десятиліття було предметом інтенсивного навчання, що пов’язано з практичним інтересом до використання системи метал-водень для низки технологічних застосувань, зокрема створення радіаційно-стійких матеріалів та фільтрів для отримання чистого водню, використання газу H як вторинного енергоносія та в реакторах термоядерного синтезу. Дифузія Н в сплавах Fe є дуже важливою, оскільки це призводить до інженерних проблем, пов’язаних із водневою крихкістю та деградацією високоміцних сталей, матеріалів реакторів тощо.

Мета. Метою цієї роботи є дослідження механізму дифузії атомів водню в кристалічній решітці металів методом статистичної термодинаміки та розрахунок розширеного рівняння дифузії та передекспоненціального множника для відповідного рівняння Арреніуса.

Методи. Для більш точного розрахунку дифузії водню в молекулярній динаміці (MD) та центроїдній інтегральній молекулярній динаміці (CMD) було запропоновано використовувати статистичні модельні вирази для передекспоненціального коефіцієнту та частоти стрибків атомів.

Результати. Авторський підхід, заснований на перших принципах статистичної моделі, що дає змогу адекватно описати температурну залежність коефіцієнта дифузії H в α-Fe у широкому діапазоні температур від 100 до 1000 К. Значення енергії активації та передекспоненціального коефіцієнта надбар’єрної дифузії водню в α- Fe, Pd, Ag, Al, Ni та γ-Fe, отримані в цій роботі, добре узгоджуються з експериментальними даними.

Висновки. Результати показують, що статистичні ефекти відіграють вирішальну роль у процесі міграції Н як за температури навколишнього середовища, так і за більш високих температур. Статистична модель дає змогу пояснити високі значення коефіцієнта передекспоненціальної дифузії за високих температур за рахунок коефіцієнта T2

Ключові слова: статистична модель, дифузія водню, передекспоненційний коефіцієнт, молекулярна динаміка, енергія активації, частота стрибків

https://doi.org/10.24144/2415-8038.2021.50.31-38