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厦门大学连发2篇《Acta》:揭示位错环形成和演化机制!

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  导读:当材料暴露于辐照环境中时,载能粒子与材料晶格中的原子相互作用将产生基本缺陷(间隙原子和空位)。在热效应、级联碰撞、应力等作用下将演化为间隙/空位位错环、空洞、气泡和堆垛错四面体等辐照缺陷,从而导致核构件的性能恶化和使用寿命降低。而其中辐照位错环是导致辐照硬化、辐照脆化和辐照蠕变的主要原因。因此,研究位错环的形成、演化、影响因素及其相关机理,对于评估核材料在辐照环境中的服役寿命以及发展辐照行为理论具有重要意义。
钨因其极低的溅射率和氚滞留率、高熔化温度和热导率以及优异的抗溅射腐蚀性能等,成为聚变堆中面向等离子体材料的主要候选材料。而钼具有优异的高温强度、高熔点、良好的导热性,是快中子反应堆、聚变堆、空间堆等新型核能系统的优异候选材料。他们同为体心立方晶体结构材料, 在辐照过程中主要产生1/2<111>位错环和<100>位错环;揭示这两种位错环形成机制、演化行为及其影响因素成为了辐照领域的研究热点。
为了阐明W和Mo这两种材料中辐照诱导位错环演变行为及其影响因数的相关机理,如预先位错线、辐照温度、辐照剂量、样品厚度等对辐照位错环的影响。 近期, 厦门大学能源学院冉广教授课题组利用搭建的世界先进的三离子束与透射电子显微镜联机设施,在氦离子辐照过程中原位 研究了钨和钼中的 位错 环演化行为与机制, 辐照位错环 与预先位错线 相互作用过程 ,以及辐照剂量、辐照温度、样品厚度以及预先位错线对<100>位错环演化的影响及相关机制 同时中国核动力研究设计院设计所的孙志鹏博士等利用分子动力学模拟分析了预先位错线与位错环相互作用过程,湖南大学邓辉球教授等采用分子动力学解释了氦团簇致1/2<111>和<100>位错环形成机制相关研究成果以题“The evolution of dislocation loop and its interaction with pre-existing dislocation in He+-irradiated molybdenum: in-situ TEM observation and molecular dynamics simulation”和“In-situ TEM investigation of 30keV He+ irradiated tungsten: Effects of temperature, fluence, and sample thickness on dislocation loop evolution”发表在金属材料领域顶刊Acta Materialia上。 两篇论文第一作者均为李奕鹏博士生。论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420308193https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420310557

  

   已有的位错线与辐照引起的位错环之间的相互作用非常复杂。在现有位错线的影响下,位错环的成核率降低,湮灭的可能性增加,并且其增长也受到限制。 辐照引起的位错环对位错线具有很强的固定作用,从而限制了位错线的移动。此外,位错网络的形成是由预先存在的位错线和辐照引起的位错环的协同作用促进的。
图1 原位观察的30 keV He+辐照W中的位错环在g=110双束衍射条件下的演化过程,辐照剂量分别为:(a) 5.94 x 1014; (b) 9.9 x 1014; (c) 1.58 x 1015; (d) 2.38 x 1015; (e) 3.37 x 1015; (f) 4.95 x 1015 和 (g) 6.93 x 1015 He+/cm2;(h)位错环演化的示意图。
图2原位观察的30 keV He+辐照W中的(a)<100>位错环与1/2<111>位错环的比值与辐照温度的关系; (b)<100>位错环的数密度及其平均尺寸与辐照温度的关系。 图3 原位观察的30 keV He+辐照W中的位错环的体积数密度及其平均尺寸与辐照温度、辐照剂量和样品厚度的关系。
图4 在973 K下,30 keV He+辐照1.58×1015 He+/cm2剂量后的W中的位错环在有和没有预先位错线区域的分布特征。双束衍射条件:(a)和(d) g=110;(b)和(e) g=200;(c)和(f) g=11?0。统计的结果显示,在具有预先位错线区域中的<100>位错环比例较高。 图5在973 K下,30 keV He+辐照2.38×1015 He+/cm2剂量后的W中的位错环在不同厚度区域中的分布特征。测试区域的平均厚度分别为:<60nm、60nm、80nm和100nm< span="">
在离子辐照过程中,辐照引起的缺陷很可能会被薄箔的表面沉陷吸收,导致在表面附近形成裸露区域。 辐照缺陷演化的原位观察将使人们对聚变反应堆中使用的钨的辐照损伤过程有一个更好的基本了解。 图6 原位观察的30 keV He+辐照Mo中的位错环和已有位错线的相互作用过程。(a1)辐照前,(b1) 0.02 dpa,(c1) 0.04 dpa,(d1) 0.07 dpa,(e1) 0.11 dpa,(f1)0.14 dpa,(g1) 0.21 dpa,(h1) 0.28 dpa。(a2-h2) 位错环演化及其与已有位错线相互作用的图解 图7 根据30 keV He+辐照Mo的系列原位辐照数据统计所得的:(a)位错环的体积数密度和平均尺寸与辐照剂量的关系;(b)不同辐照剂量下位错环尺寸与数密度关系;(c)不同剂量辐照下位错环尺寸的最大值、平均值和最小值的统计结果。
图8 673K下30 keV He+辐照Mo的平均位错环面积、总损伤(环密度×环面积)和辐照硬化随辐照损伤量的变化趋势。
图9 分子动力学计算模拟解释W在He+辐照过程中的1/2<111>和<100>位错环产生的原因,(a)单个氦原子团簇产生1/2<111>位错环;(b)两个氦原子团簇相互作用产生<100>位错环 (湖南大学邓辉球教授的模拟工作)。
图10 1/2[111]位错线与1/2[11](11)位错环的相互作用过程。(a) 0ps;(b) 5ps;(c) 10ps;(d) 20ps;(e) 35ps;(f) 40ps。橙色、绿色和紫色原子分别位于1/2[111]、1/2[11]和[010]位错核附近。(c)中的箭头是位错段的伯氏矢量方向(中国核动力研究设计院孙志鹏博士等的模拟工作)。
两篇论文均得到国家自然科学基金(项目编号:11975191, U1832112 和 U1967211)的经费支持。感谢中国核动力研究设计院李垣明团队和伍晓勇团队成员,北京航空航天大学袁悦副教授,湖南大学邓辉球教授和王丽硕士生的合作研究。感谢课题组的黄金池工程师与周哲辉工程师在实验上的协助。

  

  

冉广教授

  冉广:教授,博士生导师,福建省核能工程技术研究中心(省级平台)主任,中国核学会辐照效应分会副理事长,中国核学会核工程力学分会常务理事,厦门大学双一流“能源科学与工程”学科群中的本质安全核能负责人。西安交通大学材料学院博士,美国密西根大学材料系联合培养博士、核工系博士后和访问学者。主要从事材料辐照行为研究、核能材料研发。主持包括国家自然科学基金(联合重点、面上、联合培育、青年)、装备预研基金、福建省产业引导计划/自然科学基金等的主要项目近20项。以第一作者和通讯作者发表论文70余篇,包括Acta Materialia,Corrosion Science, Journal of Nuclear Materials, Nanoscale,ACS Applied Materials & Interface, Ceramics International等行业主流期刊,以第一发明人授权发明专利7项。培养研究生40名,已毕业博士6名和硕士20名,在读博士生6名和硕士生8名。

  课题组现有教职员工3名:冉广教授,黄金池工程师,周哲辉工程师;课题组常年招聘厦门大学南强A类/B类人才,助理教授,博士后和硕博研究生等;欢迎加入!

  联系方式:Email地址:gran@xmu.edu.cn, Cell: 13459039869

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