氢陷阱的主要类型-氢可被捕获在合金的多种微观结构位置，包括：

• 间隙晶格位点（interstitial lattice sites）
• 晶界（grain boundaries）
• 空位（vacancies）
• 合金溶质原子（alloying solutes）
• 堆垛层错（stacking faults）
• 孪晶（twins）
• 位错及其胞壁（dislocations and their cell walls）
• 应变场（strain field）
• 空洞（voids）
• 第二相及其界面second phases and their boundaries）
• 微裂纹自由表面（free surfaces of microcracks）

不同尺度的陷阱特征

• 纳米级（nano）左侧区域以密集排列的蓝色小球（代表晶格原子）为主，红色小点（氢原子）分散在间隙位点或溶质原子周围，体现原子尺度的陷阱（如间隙位点、溶质原子）。
• 介观级（meso）中间区域显示层状结构（如堆垛层错、孪晶）和线状分布（如位错），红色小点沿条纹或边界聚集，反映位错、应变场等缺陷相关的陷阱。
• 微米级（micro）右侧区域包含多边形晶粒（晶界）、蓝色块状第二相及微裂纹，红色小点在晶界、第二相界面及裂纹表面富集，对应宏观缺陷（如晶界、第二相、微裂纹）。

该图直观展示了氢在合金中多尺度、多类型微观结构中的捕获行为，强调了晶界、缺陷、第二相等对氢的束缚作用，为理解氢脆机理或氢存储材料设计提供了微观视角。

• Dislocation（位错）
• Grain boundary（晶界）
• Precipitates with coherent interfaces（共格界面析出相）
• Precipitates with semi-coherent interfaces（半共格界面析出相）

体心立方（BCC）基体中常见氢陷阱信息总结（根据上表）

1. 溶质元素（Solute elements）

• 弱/无陷阱效应：Si、Cr、Mn、Co、Mo的结合能接近0 kJ/mol，对氢无显著捕获能力（第一性原理计算）。
• 弱吸引陷阱：间隙C（9 kJ/mol）、间隙N（13 kJ/mol），通过第一性原理或磁弛豫法表征。
• 排斥效应：Nb（-7 kJ/mol）、Ti（-8 kJ/mol）、Mg（-15 kJ/mol）、Sc（-20 kJ/mol）、Y（-25 kJ/mol），结合能为负值，表明对氢有排斥作用（第一性原理计算）。

2. 晶体缺陷（Crystal defects）

• 空位与微孔洞
  • 单空位：结合能24–78 kJ/mol（第一性原理、扩散分析）；
  • 微孔洞：40 kJ/mol（热脱附分析，TDA）。
• 位错相关
  • 体位错：60 kJ/mol（扩散分析）；
  • 螺位错：26 kJ/mol（第一性原理）；
  • 位错应变场：12–27 kJ/mol（扩散分析、TDA）。
• 晶界与相界
  • 普通晶界：9–49 kJ/mol（力学分析、TDA）；
  • 原奥氏体晶界：47 kJ/mol（渗透法）。

3. 第二相（Second phases）

• 碳化物/氮化物
  • 非共格TiC：60–129 kJ/mol（渗透法、TDA），捕获能力最强；
  • 半共格TiC：48 kJ/mol（TDA）；
  • 非共格V₄C₃：40 kJ/mol（TDA）；
  • 半共格NbC：55–60 kJ/mol（TDA）。
• 其他第二相
  • 弥散氧化物界面：45 kJ/mol（渗透法、第一性原理）；
  • Al₂O₃界面：71 kJ/mol（TDA）；
  • MnS界面：64 kJ/mol（TDA）；
  • ε-铜：27 kJ/mol（TDA）。

4. 关键规律与表征方法

• 捕获能力排序
  第二相（如非共格TiC） > 晶体缺陷（空位、位错） > 溶质元素（仅C、N有弱吸引）。
• 主要表征技术
  第一性原理（理论计算）、扩散分析、热脱附分析（TDA）、渗透法、力学分析等。

（注：结合能为负值表示排斥作用，正值越大，氢捕获能力越强。）

参考文献：https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.04.076 International Journal of Hydrogen Energy，Volume 136, 10 June 2025, Pages 789-821

扩展阅读：

表1 氢在不同材料中的结合能