在現(xiàn)代汽車制造中，高強度鋼因其優(yōu)越的機械性能、成形性、低成本以及便于防腐處理的特點，仍然是汽車車身的主要材料。然而，隨著鋼材強度的提高，其對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度鋼中的作用。然而，關(guān)于碳化釩析出物的氫捕獲機制，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)合團隊，通過第一性原理計算，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散行為。
 

　　研究結(jié)果表明，碳空位在氫原子的捕獲和擴散過程中扮演了關(guān)鍵角色。單個碳空位能夠有效捕獲氫原子，而當(dāng)多個碳空位相鄰時，氫的捕獲能力則顯著增強。這一發(fā)現(xiàn)為改進高強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)部擴散，可實現(xiàn)碳化物內(nèi)部的氫捕獲。這樣的結(jié)果說明，設(shè)計具有連接碳空位網(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。通過與熱脫附譜實驗結(jié)果的對比，研究驗證了計算模型的有效性，發(fā)現(xiàn)氫在碳化物內(nèi)部的擴散能壘與實驗測得的數(shù)值相近，進一步支持了研究的結(jié)論。
 

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

　　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)所力英計劃的支持。
 

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

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

　　圖3 三個連接碳空位的多氫擴散。第一種擴散路徑(a)及能壘(b)；第二種擴散路徑(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 ?，(b)5.09 ?，(c)5.89 ?，(d)7.20 ?。