北京科技大学吕昭平教授/付恩刚教授最新《Nature Materials》！

　　高抗辐照核材料

　　反应堆核材料，在长期服役中会经历各种极端条件，导致性能下降甚至失效。设计能够在极端恶劣环境下消除辐照损伤的结构材料，是延长反应堆寿命以及开发下一代的聚变和裂变能源的一项长期而关键的挑战。其中，材料中引入界面是降低辐照损伤的有效策略和方法，探究不同类型和结构的界面在辐照下产生缺陷的规律，有利于理解和掌握界面消除缺陷的物理机制，从而指导设计和开发具有高抗辐照性能的核材料。

　　北京科技大学吕昭平教授、付恩刚教授团队（共同通讯作者）合作发现，通过在超高强度钢中引入纳米共格析出物的局域原位动态有序-无序转变，可以实现极为优异的耐辐照性能和力学性能。相关研究成果以“Superior radiation tolerance via reversible disordering–ordering transition of coherent superlattices”为题发表在Nature Materials上。不同于以往的消除策略需借助错配界面吸收缺陷，从而导致低稳定性；这一新的抗辐照机制，通过引入纳米共格析出物（NPs），使得材料的抗辐照性能几乎不受辐照剂量影响，为研发耐强辐照、高强韧结构材料提供了新的思路。

　　耐辐照性

　　随着高温下辐照的增加，大多数金属材料在进入高稳态膨胀期（即每个原子位移dpa恒定膨胀率大于1% ）之前，都有一个膨胀潜伏期，它实际代表了材料的辐照耐受性。在 300-600°C 时，常见钢的膨胀潜伏期约为10-100 dpa，在小于 500 dpa 时可以观察到超过 10% 的空隙膨胀率。许多氧化物弥散强化 (ODS) 钢表现出更高的抗空隙膨胀性，即在 400–750 °C 下，潜伏期大于 100 dpa。然而，潜伏期过后，空隙膨胀随着 dpa 迅速增加。值得特别关注的是，含高密度Ni(Al,Fe) NPs的超晶格钢表现出非凡的耐辐照性能，400-600°C 时，在高达 2,350 dpa 的平均辐照损伤下，空隙膨胀为零，优于迄今为止研究的其他大多数钢材。

　　图一、含高密度Ni(Al,Fe) NPs的超晶格钢具有优良的耐辐照性。

　　微观结构变化

　　通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)，观察离子辐照下超晶格钢的微观结构变化。研究发现，无论辐照剂量和温度如何，都存在高密度的球形NPs，而没有观察到尖锐的界面和内部周期性强度分布，表明这些区域结构无序但富含高原子序数溶质，进一步推断NPs发生了辐照溶解。但同时，在高温（400-600 °C）辐照下，因其极低的相变势垒和短程溶质重排主导的动力学行为，辐照溶解诱导的富溶质区域也发生了重新排序即再沉淀，有利于维持高密度 NPs ，并且随着辐照增加而持续具有抗辐照性能。

　　图二、离子辐照下超晶格钢的微观结构变化。

　　NPs 析出动力学

　　在 500 °C 时效处理期间对固溶退火钢（不含NPs）进行XRD 测量，以理解超高密度共格有序析出行为。研究表明，析出过程以成核和界面扩散控制为主，从而形成快速析出。更重要的是，这种形成过程通常不具有很强的温度依赖性(如长程扩散)，通过增强溶质和缺陷的局域重组，持续湮灭辐照缺陷并稳定高密度析出相，甚至可能实现宽温度范围的析出。

　　图三、 热处理过程中 NPs 的动力学。

　　作者简介：

　　吕昭平：北京科技大学副校长，国家杰出青年基金获得者，教育部特聘教授，国家百千万人才工程，“万人计划”科技创新领军人才。本科毕业于华中科技大学，博士毕业于新加坡国立大学。长期从事先进高性能钢铁材料、块体非晶合金及高熵合金方面的研究工作，主要研究方向为：高性能耐热钢的高温强化和氧化机理；块体非晶态合金的物理冶金，力学行为及其工程应用；多孔金属材料和高熵合金。在Science、Nature、Physical Review Letters、Advanced Materials等学术刊物上发表论文150余篇。

　　付恩刚：北京大学物理学院教授。本科毕业于大连理工大学，硕士毕业于清华大学和香港大学，博士毕业于得克萨斯农工大学。长期从事应用核物理的研究工作，主要研究方向为离子-固体相互作用，核材料，离子束材料，辐照损伤与效应，纳米结构材料和催化剂等，近几年针对界面辐照损伤机制开展了一系列研究。在Advanced Materials、Small、Journal of nuclear materials等学术刊物上发表论文70余篇。

　　全文链接：

　　https://www.nature.com/articles/s41563-022-01260-y

　　来源：高分子科学前沿

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