摘要
碳化硅(SiC)被广泛地认为是一种极具潜力的事故容错燃料包壳材料，它被考虑用在下一代核反应堆中。相关的研究表明氧化是碳化硅材料在高温环境下发生功能失效的主要原因。因此，探明碳化硅在不同条件下的氧化机理对碳化硅包壳材料的研发和设计工作具有重要意义。本文以核工程领域常见的3C-SiC和6H-SiC为研究对象，借助密度泛函理论计算、经典分子动力学模拟以及从头算分子动力学等方法系统地研究了这两种碳化硅在抗辐照损伤和抗氧化性能方面的差异，并对这些差异背后的深层物理机制进行了详细的研究。 通过对3C-SiC和6H-SiC进行相关模拟计算，发现:(1)3C-SiC表面的抗辐照损伤能力要强于6H-SiC的抗辐照损伤能力。以硅原子作为终止原子的3C-SiC表面的抗辐照损伤性能要强于以碳原子作为终止原子的3C-SiC表面，而以硅原子作为终止原子的6H-SiC表面的抗辐照性能要弱于以碳原子作为终止原子的6H-SiC表面。另外，碳原子替位取代硅原子提高了3C-SiC的弹性模量、材料脆性以及导热性能。(2)6H-SiC的抗氧化性能优于3C-SiC的抗氧化性能，6H-SiC表面在初始氧化阶段倾向于生成SiO2，而3C-SiC表面倾向于生成CO、CO2和SiO等气态氧化物。氧分子吸附于SiC表面会自发解离为两个氧原子，并且氧分子更倾向于吸附于以硅原子作为终止原子的SiC表面，即以硅原子作为终止原子的SiC表面更容易被氧化。水分子吸附于SiC表面会部分解离为羟基和氢原子，羟基不易继续解离为氧原子和氢原子，同时氢原子在SiC表面上结合形成氢分子也较为困难。吸附能的变化表明辐照缺陷改变了氧分子和水分子在SiC表面上的稳定性和初始氧化物种类，也就是说辐照缺陷改变了SiC表面的抗氧化性能，但是辐照缺陷没有改变氧分子和水分子在SiC表面上自发解离的这种特性。(3)水蒸汽加快了SiC表面的氧化速率。从头算分子动力学模拟表明在SiC表面上水分子解离生成的氢原子与氧分子解离生成的氧原子结合形成新的羟基，正是这些羟基促进了SiC表面的快速氧化。
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