聚变能具有固有安全性、燃料资源丰富性以及环境友好性等优势,被认为是人类最理想的洁净能源之一。氚增殖剂作为实现聚变堆“燃料自持”问题的关键功能材料之一,其研究与开发具有重要意义。然而我国在氚增殖剂改性以及新型氚增殖剂研发方面的工作尚不系统、深入。本论文基于我国ITER TBM候选氚增殖剂Li4SiO4,旨在探索发展综合性能更为优异的新型氚增殖剂材料。提出了一种通过引入本征点缺陷进而形成固溶体的方式来改善Li4SiO4性能的思路。分别使用三种不同价态的元素来替代Li4SiO4中的Si原子：使用低价态的A1原子来替代Si原子由于电荷补偿从而产生间隙锂原子；使用高价态的V原子替代Si原子同样由于电荷补偿产生锂空位：使用同价态的大半径的Ti原子替代Si原子,造成晶格变形。进而改变离子迁移通道,促进电导率、热导率以及氚释放行为得到改善。通过形成固溶体来改善其力学性能。综合考虑,重点开展了A1掺杂Li4SiO4的系统性研究工作,并探索开展了Ti掺杂Li4SiO4的制备与性能研究。通过基于密度泛函理论的第一性原理计算评估了设计的可行性,预测了Li4SiO4及掺杂改性后新型氚增殖剂的性能。体系总能计算结果表明：A1掺杂进入晶格后,部分位点总能降低,意味着设计的新型氚增殖剂Li4+xSi1-xAlxO4是稳定存在的；几何结构计算的结果表明：A1掺杂进入Li4SiO4后,晶胞体积略有膨胀,而锂原子密度略有增加；电子性质结果表明：Li4+xSi1-xAlxO4能带间隙变窄,意味着电导率提高,有望降低氚释放温度：声子计算的结果表明：Li5AlO4的等体积热容比Li4SiO4要高,因此Li4+xSi1-xAlxO4的热导率可能会高于Li4SiO4。探究了固态氚增殖剂粉末及小球的制备方法。使用固相法成功制备了Li4SiO4、 Li5AlO4以及新型氚增殖剂Li4+xSi1-xAlxO4粉末：使用冷冻干燥法成功制备了Li4SiO4、 Li5A104以及Li4+xSi1-xAlxO4小球。研究发现：LiOH·H2O作为锂源要优于Li2CO3,尤其是用于制备Li5A104;直接以LiOH·H2O、Al2O3与Si02为原料制备Li4+xSi1-xAlxO4粉末明显优于使用Li4SiO4与Li5AlO4为原料。在本文实验范围内,Li4SiO4粉末的最优合成条件为：Li/Si摩尔比为4.1的LiOH·H2O与Si02在750℃烧结10h。Li5A104粉末的最优合成条件为：Li/Al摩尔比为5.5的LiOH·H2O与γ-Al2O3在管式炉中通惰性气体He保护下900℃烧结20 h; Li4+xSi1-xAlxO4粉末的最优合成条件为：以LiOH·H2O、SiO2与γ-Al2O3为原料在管式炉中通惰性气体He保护下900℃烧结20 h。相比于熔融法,冷冻干燥法工艺简单,设备简单,而且制备的小球粒径分布均匀,小球直径可以很方便地控制。本论文使用XRD、中子衍射、SEM、紫外漫反射、激光热导仪、万能试验机以及离线释氚平台研究了新型氚增殖剂Li4+xSi1-xAlxO4的结构、形貌、电学、热学、力学以及氚释放性能。设计的新型氚增殖剂Li4+xSi1-xAlxO4与理论预测一致,相对于中国TBM首选氚增殖剂Li4SiO4,在锂原子密度、电导率、热导率、力学性能以及氚释放行为方面均有明显改善。Li4+xSi1-xAlxO4 (x=0, x=0.1, x=0.2, x=0.3)的锂原子密度分别为：0.559、0.569、0.577、0.587g/cm3,锂原子密度随A1掺杂比例增加而增加,原因是Al3+与Si4+电荷的不一致,为了保持电中性,需要对基质结构Li4SiO4进行电荷补偿,从而产生间隙Li+,导致锂原子密度增加；Li4+xSi1-xAlxO4 (x=0.2)与Li4SiO4相比,光学带隙由5.66eV下降到了4.84 eV,意味着A1掺杂后电导率增加,原因是A1掺杂后形成了高浓度的点缺陷(间隙锂原子),促进了锂离子的扩散；Li4+xSi1-xAlxO4的热导率明显优于Li4SiO4,当掺杂比例为30%时,100℃时热导率增加了27.4%,而且A1掺杂比例越高,热导率改善越明显,原因是热导率与构成晶体的质点的原子量以及原子之间的结合能有关,而A1原子原子量比Si原子小,A1-O间结合能比Si-O间结合能大,因此A1原子替代Si原子进入晶格后,固溶体的热导率增加;Li4+xSi1-xAlxO4的力学性能明显优于Li4SiO4,小球的平均压碎强度由15 N提高到了30 N,原因是固溶强化现象,固溶体一般具有较好的综合力学性能,适当控制Li5AlO4溶质的含量,可明显提高强度和硬度,同时保持足够高的塑性及韧性；Li4+xSi1-xAlxO4 (x=0.2)的主要氚释放温度相比Li4SiO4,下降了约20℃,原因是Al掺杂后能在晶粒表面提供一些激活能更低的解吸位点;Li4+xSi1-xAlxO4(x=0.2)样品中缺陷浓度低于Li4SiO4样品,原因是：Al掺杂形成的固溶体中晶胞体积膨胀,晶格中原子与中子碰撞的概率减小,而且Al-O键的强度比Si-O键的强度高,因此Li4+xSi1-xAlxO4中缺陷浓度降低,抗辐照性能提高。在Al掺杂Li4SiO4的研究基础上,本论文还探究了Ti掺杂的Li4SiO4样品,成功制备并表征了其光学带隙,结果表明：Li4Si1-xTixO4 (x=0.2)光学能带间隙为4.04eV或者4.44eV,与Li4SiO4及Li4+xSi1-xAlxO4 (x=0.2)相比,Ti掺杂Li4SiO4后能带间隙宽度降低更多,意味着Ti掺杂的Li4SiO4样品可能具有更低的氚释放温度。综上所述：本论文提出了通过引入本征点缺陷形成固溶体来改善氚增殖剂性能的设计思路；系统地开展了Al掺杂Li4SiO4的理论以及实验研究工作,结果表明：通过Al掺杂引入间隙Li原子形成的Li4+xSi1-xAlxO4固溶体与Li4SiO4相比,锂原子密度增加、能带间隙变窄、热导率提高、力学性能显著改善、氚释放温度降低及辐照缺陷浓度下降；探索了Ti掺杂Li4SiO4样品的制备与表征,结果表明：具有更低的能带间隙,意味着其氚释放温度可能下降更明显：获得了综合性能更优异的新型氚增殖剂。本论文科学认识了氚增殖剂的结构与性能之间的关系,进而为聚变堆D-T燃料循环中燃料“氚”自持问题地有效解决提供了技术途径。