д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой высшей математики и математического моделирования
656038, Россия, Барнаул, Алтайский край, пр. Ленина, 46)
Dr. Sci. (Phys.-math.), Professor, Head of the Chair of Advanced Mathematics and Mathematical Modeling
Barnaul, Altai Territory, Russia
к.т.н., директор архитектурно-строительного института
654007, Россия, Новокузнецк, Кемеровская обл., ул. Кирова, 42
Cand. Sci. (Eng.), Director of the Institute of Architecture and Construction
Novokuznetsk, Kemerovo Region, Russia
к.ф.-м.н., директор колледжа
656049, Россия, Барнаул, Алтайский край, пр. Ленина, 61
Cand. Sci. (Phys.-math.), College Director
Barnaul, Russia
Методом молекулярной динамики проведено исследование взаимодействия атомов водорода с нанокристаллическими палладием и никелем. Нанокристаллическую структуру палладия и никеля создавали в модели путем кристаллизации из жидкого состояния при наличии нескольких специально введенных кристаллических зародышей. После затвердевания расчетные блоки помимо кристаллической фазы содержат границы зерен и тройные стыки границ зерен. Взаимодействия атомов металла друг с другом описывали с помощью многочастичного потенциала Клери–Розато, построенного в рамках модели сильной связи. Для описания взаимодействий атомов водорода с атомами металла и друг с другом использовали потенциалы Морзе, параметры которых были рассчитаны по экспериментальным данным энергии абсорбции, энергии активации надбарьерной диффузии водорода в металле (при нормальных и высоких температурах), энергии связи с вакансией, дилатации. Согласно полученным результатам при высокой концентрации водорода (рассматривали концентрацию 10 % от количества атомов металла) атомы водорода объединяются в агрегаты, формирующиеся преимущественно вблизи поверхности металла. Агрегаты содержали, как правило, по несколько десятков атомов водорода и обладали низкой диффузионной активностью. При этом энергия связи атомов водорода с этими агрегатами больше, чем с решеткой металла или границами зерен в нем. В палладии водородные агрегаты формировались дальше от поверхности, чем в никеле. По всей видимости, это связано не столько с относительно низкой энергией абсорбции водорода палладием (–0,1 эВ) по сравнению с никелем (0,16 эВ), сколько с различием параметров решеток рассматриваемых металлов: 3,89 и 3,524 Å для палладия и никеля. По этой же причине, видимо, водородные агрегаты в чистой кристаллической решетке чаще наблюдались в палладии, чем в никеле, в котором агрегаты, как правило, формировались в дефектных областях, содержащих избыточный свободный объем: вблизи свободной поверхности, в границах зерен и тройных стыках.
The interaction of hydrogen atoms with nanocrystalline palladium and nickel in the work was studied by the molecular dynamics method. The nanocrystalline structure of palladium and nickel was created in the model by crystallization from the liquid state at the presence of several specially introduced crystalline embryos. After solidification, the calculation blocks, in addition to the crystalline phase, contained grain boundaries and triple junctions of grain boundaries. The interactions of metal atoms with each other were described by the multi-particle Cleri-Rosato potential constructed in the framework of the tight-binding model. Morse potentials were used to describe the interactions of hydrogen atoms with metal atoms and with each other. The parameters of Morse potentials were calculated from the experimental data of theabsorption energy, the activation energy of the above-barrier diffusion of hydrogen in a metal (at normal and high temperatures), the binding energy with a vacancy, dilatation. According to the results obtained in the present work, at a high concentration of hydrogen (the concentration of 10% from the metal atoms was considered), the hydrogen atoms combine into aggregates, which are formed predominantly near the surface of the metal. The aggregates contained, as a rule, several dozen hydrogen atoms and had low diffusion activity. The binding energy of hydrogen atoms with these aggregates was greater than with the metal crystal lattice or grain boundaries in it. In palladium, hydrogen aggregates were formed farther from the surface than in nickel. Apparently, this is due not so much to the relatively low energy of hydrogen absorption by palladium (–0.1 eV) in comparison with nickel (0.16 eV), but rather to the difference in lattice parameters of the metals under consideration: 3.89 Å for Pd and 3.524 Å for Ni. For the same reason, conspicuously, hydrogen aggregates in a pure crystal lattice were more often observed in Pd than in Ni. In Ni, aggregates, as a rule, were formed in defect areas containing an excess free volume: near the free surface, in grain boundaries and in triple junctions.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.