18983UC、UN、UH势函数及热力学性质的理论研究(2)
金属在氧化腐蚀过程中，开始一般是氧化气体介质吸附在金属表面上，气体介质在金属表面的吸附行为（解离吸附或是分子吸附）和吸附量将决定金属后续的氧化行为。因而，为使金属的抗氧化性能得以提高，我们在发展表面改性技术之外还要研究金属对环境气氛的吸附行为以及氧化行为，了解气体在铀表面的吸附和反应机制，认识其表面的腐蚀特性，这对表面改性技术的发展具有实际的指导意义。由于铀表面在大气中被其氧化物覆盖，因此，我不仅要研究铀表面的腐蚀机理，还要研究其表面氧化物。故研究各种腐蚀性气体分子与金属铀表面的相互作用和分子反应动力学对于控制铀腐蚀具有非常重要的意义。
从核技术应用于实际开始，人们就一直在研究铀的腐蚀与防护。涉及铀腐蚀研究的方法现在已经出现了多种，腐蚀产物分析仪器的性能也有了很大的提高，因而可以定量测定和观察材料表面的腐蚀产物结构、形态和厚度随时间变化的规律等，甚至还可以通过物理模拟和数值模拟的方法来分析腐蚀发生反应的热力学和动力学过程，帮助人们认识腐蚀的反应过程和机理。目前主要有以下方法对铀进行防腐蚀保护：镀膜涂层、有机涂层、电镀涂层、整体合金化防腐、热喷涂和热浸镀涂层、制备化学反应层防腐、离子注人表面层防腐、利用激光技术进行表面改性防腐等[3]。
与此同时, 人们也在研究金属铀在各种气氛中表面氧化腐蚀和抗腐蚀的动力学及机理等, 以探索能使材料表面钝化或缓解腐蚀的有效气体环境，并致力于金属铀及其氧化物与活性气体分子之间的相互作用。实验表明，在特定条件下，一些腐蚀气体会在铀表面形成钝化层。因此，研究钝化层的结构、形成机制及其与腐蚀气体的作用，有助于提高防腐技术。目前，人们已测定出铀及其氧化物表面与多种气体分子吸附及反应动力学的数据，包括吸附热以及吸附速率等。但对铀和腐蚀气体体系的初始反应情况、各种表面反应的历程等问题还有待进一步的研究。
伴随着研究的深入, 一些学者正尝试从理论层面解释表面氧化腐蚀和抗腐蚀的动力学微观过程的本质，并尝试建立铀材料表面钝化或缓解腐蚀理论。目前已有许多相关的理论研究，例如：在薛卫东等用密度泛函方法对二氧化碳在金属铀表面吸附的研究中求得了二氧化碳在金属铀表面的理论吸附热 [4]。Juraj等用理论与实验两种方法研究U-H体系，发现了铀氢化物对氢气有极强的结合力[5]。Dholabhai等用DFT方法计算一氧化碳在γ-U的(100)表面的吸附[6]等等。尽管这些研究结果对气体分子在金属铀表面行为的理论模拟研究奠定了基础，但是受前几年计算软件和硬件的制约，这些理论研究主要有以下不足之处：
第一，没有涉及气体在铀及其氧化物表面的吸附行为的分子动力学模拟。第二，前期研究只求得个别气体与铀作用的势能曲线和势能函数[7]；缺少各种情形下势能函数及其多项式规律。第三，大多数研究缺少表面吸附的动态过程，特别是过渡态结构。第四，对同一种气体在不同条件下呈现出腐蚀/钝化相反的行为不能做统一解释。第五，对目前难以或尚未进行的实验研究，例如气体在铀表面吸附解离后由表层向体相渗透过程、合金表面与气体的相互作用等，缺乏相关的理论研究以及微观机理的探讨。
本文用量子力学的第一性原理(DFT、CCSD等方法)，计算了UC、UN和UH双原子体系，构建原子间相互作用势，总结势函数特征，求得势能面。这些研究结果为进一步探讨金属铀及其表面氧化物与气体分子反应机理、构建和优化相关力场参数、并用分子动力学模拟方法研究气体原子及分子在金属铀及其氧化物表面吸附、解离及内表面扩散过程、求得温度、压力对气体在铀表面物理与化学行为的影响奠定了理论基础。