在现代汽车制造中，高强度钢因其优越的机械性能、成形性、低成本以及便于防腐处理的特点，仍然是汽车车身的主要材料。然而，随着钢材强度的提高，其对氢脆的抵抗力却往往降低，给汽车安全带来了新的挑战。研究显示，氢在晶格缺陷中的聚集是导致氢脆的主要原因。因此，如何有效控制氢的扩散和捕获，成为当今钢铁研究的重要课题。在此背景下，最新的研究聚焦于碳化钒在高强度钢中的作用。然而，关于碳化钒析出物的氢捕获机制，目前仍存在诸多争议。中国科学院力学所的彭庆研究员与东北大学的唐帅教授的联合团队，通过第一性原理计算，系统分析了碳化钒晶格中不同间距碳空位的氢捕获和扩散行为。

研究结果表明，碳空位在氢原子的捕获和扩散过程中扮演了关键角色。单个碳空位能够有效捕获氢原子，而当多个碳空位相邻时，氢的捕获能力则显著增强。这一发现为改进高强度钢的氢脆抗性提供了新的思路。研究还发现，碳空位作为强氢陷阱，能够有效阻止氢的逃逸，从而提升材料的稳定性。此外，氢通过连接碳空位在碳化钒析出物内部扩散，可实现碳化物内部的氢捕获。这样的结果说明，设计具有连接碳空位网格的碳化物结构，能更有效地提高碳化物的氢捕获能力。通过与热脱附谱实验结果的对比，研究验证了计算模型的有效性，发现氢在碳化物内部的扩散能垒与实验测得的数值相近，进一步支持了研究的结论。

这项研究不仅为理解氢在高强度钢中扩散和捕获的机制提供了新的视角，也为未来钢铁材料的优化设计奠定了理论基础。研究人员希望通过调控碳空位的浓度和分布，实现高强度钢在氢脆环境中的更好表现，从而为汽车行业的安全性和经济性做出贡献。

该研究成果以“First-principles study of hydrogen trapping and diffusion mechanisms in vanadium carbide with connecting carbon vacancies”为题发表于International Journal of Hydrogen Energy期刊上。东北大学博士生李林鲜为论文第一作者，彭庆研究员和唐帅教授为通讯作者。此工作得到国家自然科学基金（12272378和52175293）和力学所力英计划的支持。

论文连接：https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.10.150

图1 氢原子在单个碳空位附近的扩散。氢原子扩散到碳空位和从碳空位逸出的扩散路径（a1）-（a3）和能垒图（b）。

图2 三个连接碳空位的氢捕获与扩散。（a）三碳空位构型和（b）碳空位的氢捕获，以及氢原子的扩散路径（c）及能垒（d）。

图3 三个连接碳空位的多氢扩散。第一种扩散路径（a）及能垒（b）；第二种扩散路径（c）及能垒（d）。

图4 不同空位间距下的电子局域函数云图。（a）2.95 Å，（b）5.09 Å，（c）5.89 Å，（d）7.20 Å。