DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-26441-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41507240
تاريخ النشر: 2026-01-08
المؤلف: Ankit Roy وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد وتقنيات الاندماج
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تأثيرات العيوب النقطية الناتجة عن الإشعاع على خصائص النقل الحراري لمواد السيراميك الليثيوم، تحديدًا LiAlO₂ و LiAl₅O₈، والتي لها صلة بالتطبيقات في البيئات النووية مثل قضبان الامتصاص القابلة للاحتراق المنتجة للتريتيوم (TPBARs). تشير النتائج إلى أن LiAlO₂ يعاني من انخفاض كبير في الموصلية الحرارية، مع انخفاض يصل إلى 75% مع زيادة تركيز العيوب ودرجة الحرارة. بالمقابل، يحتفظ LiAl₅O₈ بأكثر من 50% من موصليةه الحرارية حتى تحت مستويات عالية من العيوب ودرجات حرارة مرتفعة، مما يظهر مرونة أكبر تعزى إلى خصائصه الهيكلية التي تمنع توليد العيوب وتحافظ على نقل الفونونات.
تظهر الدراسة أيضًا أنه عند مستوى ضرر يبلغ حوالي 0.2 إزاحة لكل ذرة (dpa)، تنخفض الموصلية الحرارية لـ LiAlO₂ بنحو 77%، بينما يظهر LiAl₅O₈ انخفاضًا أكثر اعتدالًا بنسبة 54%. بالإضافة إلى ذلك، يظهر LiAl₅O₈ تحسينًا في الاحتفاظ بالموصلية الحرارية مع زيادة درجات الحرارة، مع انخفاض بنسبة 27% فقط من 300 كلفن إلى 900 كلفن، مقارنة بانخفاض 75% في LiAlO₂. تشير تحليل كثافة حالات الفونون الجزئية (PDOS) إلى أن الفراغات في LiAlO₂ تقمع بشكل كبير أوضاع الاهتزاز، بينما يظهر LiAl₅O₈ تغييرات طفيفة، مما يعزز من تحمله للإشعاع. بشكل عام، تضع هذه النتائج LiAl₅O₈ كمرشح أكثر متانة للتطبيقات الإشعاعية عند درجات حرارة عالية.
طرق
في هذا القسم، يصف المؤلفون الطرق المستخدمة لتقييم الإمكانات بين الذرات وحساب الموصلية الحرارية لـ γ-LiAlO₂ النقي. تم استخدام مجالات القوة التفاعلية (ReaxFF) التي طورها شين لهذه الحسابات. تم إثبات صحة الإمكانية من خلال مقارنة المعلمات الرئيسية مثل ثوابت الشبكة، أطوال الروابط، طاقات تشكيل العيوب، وطاقات الإزاحة العتبية، كما هو موضح في الجداول 1 و 2.
باستخدام إمكانيات شين ReaxFF بالتزامن مع نهج إضافة/طرح الحرارة، كانت الموصلية الحرارية المحسوبة لـ γ-LiAlO₂ حوالي 9.91 واط/م·ك، وهو ما يتوافق بشكل معقول مع القيمة التجريبية التي تبلغ حوالي 13.5 واط/م·ك. تم تطبيق هذه الطريقة الموثوقة لاحقًا على تحقيقات إضافية تتعلق بالعيوب، الاعتماد على درجة الحرارة، والأضرار الإشعاعية، كما هو موضح في الشكل 1.
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى أن الكثافات المحسوبة لـ LiAlO\(_2\) (2.51 غم/سم³) و LiAl\(_5\)O\(_8\) (3.53 غم/سم³) تتماشى بشكل وثيق مع قيم نظرية الكثافة الوظيفية (DFT)، مما يثبت إمكانيات ReaxFF المستخدمة في المحاكاة. تظهر مسافات الروابط ومعلمات الشبكة لكلا المادتين توافقًا جيدًا مع بيانات DFT والتجريبية، مما يؤكد موثوقية الإمكانيات. تم حساب طاقات تشكيل العيوب، مما يكشف أن إمكانيات ReaxFF تعطي طاقات تشكيل فراغات أعلى قليلاً مقارنة بـ DFT، على الأرجح بسبب نقص معالجة الهيكل الإلكتروني الصريح في ReaxFF. أظهرت حسابات طاقة الإزاحة العتبية (TDE) قيمًا متوسطة تبلغ 46 إلكترون فولت للليثيوم في LiAlO\(_2\) و71 إلكترون فولت للليثيوم في LiAl\(_5\)O\(_8\)، والتي تتماشى مع النتائج السابقة.
تم تقييم الموصلية الحرارية (\(\kappa\))، حيث أظهرت LiAlO\(_2\) انخفاضًا كبيرًا في \(\kappa\) من 9.04 واط/م ك إلى 2.05 واط/م ك بعد أول سلسلة إزاحة، بينما أظهر LiAl\(_5\)O\(_8\) انخفاضًا أكثر تدريجية من 19.8 واط/م ك إلى 15.5 واط/م ك. يبرز هذا الاختلاف التحمل الفائق للإشعاع لـ LiAl\(_5\)O\(_8\)، والذي يُعزى إلى إطارها الهيكلي الصلب من السبينل الذي يحد من تشكيل العيوب. بالإضافة إلى ذلك، استكشفت الدراسة تأثير العيوب النقطية الداخلية على الموصلية الحرارية، مما يكشف أن فراغات الليثيوم في LiAlO\(_2\) تقلل بشكل كبير من \(\kappa\)، خاصة عند درجات الحرارة المرتفعة، بينما يظهر LiAl\(_5\)O\(_8\) استقرارًا حراريًا أكبر على الرغم من وجود الفراغات. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية هيكل المادة في تحديد خصائص الاستجابة الحرارية والإشعاعية.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في خصائص النقل الحراري للسيراميك γ-LiAlO₂ و LiAl₅O₈ تحت ظروف تحاكي الأضرار الناتجة عن الإشعاع. تم استخدام محاكاة الديناميكا الجزيئية لتحليل تأثيرات العيوب النقطية، تحديدًا الفراغات وأزواج فرينكل، على الموصلية الحرارية. أشارت النتائج إلى أن LiAlO₂ أظهرت تدهورًا كبيرًا في الموصلية الحرارية، حيث انخفضت بنحو 77% عند مستوى ضرر يبلغ ~0.2 إزاحة لكل ذرة (dpa)، بينما أظهر LiAl₅O₈ انخفاضًا أكثر اعتدالًا بنسبة 54%. من الجدير بالذكر أن LiAl₅O₈ أظهرت مرونة محسنة تجاه تدهور الموصلية الحرارية مع زيادة درجة الحرارة، حيث كان هناك انخفاض بنسبة 27% فقط من 300 كلفن إلى 900 كلفن، مقارنة بانخفاض 75% في LiAlO₂.
كشفت تحليل كثافة حالات الفونون (PDOS) أن إدخال الفراغات في LiAlO₂ أدى إلى قمع كبير لأوضاع الاهتزاز ذات الترددات المنخفضة والمتوسطة، حيث انخفضت شدة ذروة PDOS بمقدار 8 × 10⁻⁴ لتركيز فراغات ليثيوم بنسبة 10%. بالمقابل، أظهر LiAl₅O₈ انخفاضًا أقل بكثير قدره 1 × 10⁻⁴ مع تركيز فراغات بنسبة 35%. يُعزى هذا التفاوت في تخفيض PDOS إلى الاختلافات الهيكلية بين المادتين، حيث أن الهيكل الغني بالألمنيوم في LiAl₅O₈ يخفف من تأثيرات الفراغات، مما يحافظ على مسارات انتشار الفونونات. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن LiAl₅O₈ تمتلك تحملًا فائقًا للإشعاع وقدرات نقل حراري، مما يجعلها مرشحًا واعدًا للتطبيقات في طلاءات حواجز الحماية الحرارية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-26441-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41507240
Publication Date: 2026-01-08
Author(s): Ankit Roy et al.
Primary Topic: Fusion materials and technologies
Overview
This research investigates the effects of radiation-induced point defects on the thermal transport properties of lithium ceramic materials, specifically LiAlO₂ and LiAl₅O₈, which are relevant for applications in nuclear environments such as tritium-producing burnable absorber rods (TPBARs). The findings indicate that LiAlO₂ experiences a significant reduction in thermal conductivity, with a decrease of up to 75% as defect concentration and temperature increase. In contrast, LiAl₅O₈ retains over 50% of its thermal conductivity even under high defect levels and elevated temperatures, demonstrating greater resilience attributed to its structural characteristics that inhibit defect generation and maintain phonon transport.
The study further reveals that at a damage level of approximately 0.2 displacements per atom (dpa), LiAlO₂’s thermal conductivity drops by nearly 77%, while LiAl₅O₈ shows a more modest decline of 54%. Additionally, LiAl₅O₈ exhibits improved thermal conductivity retention with temperature increases, with only a 27% reduction from 300 K to 900 K, compared to a 75% reduction in LiAlO₂. Partial phonon density of states (PDOS) analysis indicates that vacancies in LiAlO₂ significantly suppress vibrational modes, whereas LiAl₅O₈ shows minimal changes, reinforcing its superior radiation tolerance. Overall, these results position LiAl₅O₈ as a more durable candidate for high-temperature radiation applications.
Methods
In this section, the authors describe the methods used to benchmark interatomic potentials and calculate the thermal conductivity of pristine γ-LiAlO₂. The reactive force fields (ReaxFF) developed by Shin were employed for these calculations. The validity of the potential was established by comparing key parameters such as lattice constants, bond lengths, defect formation energies, and threshold displacement energies, as detailed in Tables 1 and 2.
Using the Shin ReaxFF potential in conjunction with a heat addition/subtraction approach, the calculated thermal conductivity for γ-LiAlO₂ was approximately 9.91 W/m·K, which is in reasonable agreement with the experimental value of around 13.5 W/m·K. This validated method was subsequently applied to further investigations involving defects, temperature dependence, and radiation damage, as illustrated in Figure 1.
Results
The results of the study indicate that the computed densities for LiAlO\(_2\) (2.51 gm/cc) and LiAl\(_5\)O\(_8\) (3.53 gm/cc) align closely with Density Functional Theory (DFT) values, validating the ReaxFF potentials used in the simulations. The bond distances and lattice parameters for both materials show good agreement with DFT and experimental data, further confirming the reliability of the potentials. Defect formation energies were calculated, revealing that ReaxFF potentials yield slightly higher vacancy formation energies compared to DFT, likely due to the lack of explicit electronic structure treatment in ReaxFF. The threshold displacement energy (TDE) calculations showed median values of 46 eV for Li in LiAlO\(_2\) and 71 eV for Li in LiAl\(_5\)O\(_8\), which are consistent with previous findings.
Thermal conductivity (\(\kappa\)) was assessed, showing that LiAlO\(_2\) experiences a significant drop in \(\kappa\) from 9.04 W/m K to 2.05 W/m K after the first displacement cascade, while LiAl\(_5\)O\(_8\) showed a more gradual decline from 19.8 W/m K to 15.5 W/m K. This difference highlights the superior radiation tolerance of LiAl\(_5\)O\(_8\), attributed to its structurally rigid spinel framework that limits defect formation. Additionally, the study explored the impact of intrinsic point defects on thermal conductivity, revealing that Li vacancies in LiAlO\(_2\) significantly reduce \(\kappa\), especially at elevated temperatures, while LiAl\(_5\)O\(_8\) exhibits greater thermal stability despite the presence of vacancies. Overall, the findings underscore the importance of material structure in determining thermal and radiation response characteristics.
Discussion
In this study, the thermal transport properties of γ-LiAlO₂ and LiAl₅O₈ ceramics were investigated under conditions simulating radiation-induced damage. Molecular dynamics simulations were employed to analyze the effects of point defects, specifically vacancies and Frenkel pairs, on thermal conductivity. The results indicated that LiAlO₂ exhibited a significant degradation in thermal conductivity, dropping by approximately 77% at a damage level of ~0.2 displacements per atom (dpa), while LiAl₅O₈ showed a more moderate decline of 54%. Notably, LiAl₅O₈ demonstrated enhanced resilience to thermal conductivity degradation with increasing temperature, with only a 27% reduction from 300 K to 900 K, compared to a 75% reduction in LiAlO₂.
Phonon density of states (PDOS) analysis revealed that the introduction of vacancies in LiAlO₂ led to a substantial suppression of low- and mid-frequency vibrational modes, with the PDOS peak intensity decreasing by 8 × 10⁻⁴ for a 10% Li vacancy concentration. In contrast, LiAl₅O₈ exhibited a much smaller reduction of 1 × 10⁻⁴ with a 35% vacancy concentration. This disparity in PDOS attenuation is attributed to the structural differences between the two materials, where the aluminum-rich structure of LiAl₅O₈ mitigates the effects of vacancies, thereby preserving phonon propagation pathways. Overall, the findings suggest that LiAl₅O₈ possesses superior radiation tolerance and thermal transport capabilities, making it a promising candidate for applications in thermal protection barrier coatings.