武大&厦大《Acta Materialia》：高熵合金助力增强氦辐射抵抗力！

核能作为清洁、可靠、可持续和廉价的能源，被认为是解决能源危机最有效的途径之一，对世界经济繁荣稳定至关重要。发展先进核材料是下一代核系统最重要的关键点。由于氦 (He) 很难溶解在固体中，由转变或入射的 He 原子聚集形成的 He 气泡是核材料最严重和典型的问题之一，这极大地影响了它们的微观结构和机械性能（例如膨胀、硬化和脆化）行为。控制材料中 He 原子及其聚集体的行为是开发先进核材料的关键任务。例如，开发高性能面向等离子体材料（PFM）是实现商业聚变反应堆材料领域最紧迫的挑战任务，因为 PFM 受到恶劣环境的影响，包括高通量氢同位素（D 和T) 和 He 等离子体 (~1022 m−2s−1)。钨 (W) 因其优异的物理和化学性能而被认为是最有前途的 PFM 之一，被选为国际热核聚变实验堆 (ITER) 的 PFM。不幸的是，在低能量和高通量的 He 等离子体暴露下，由于气泡的破裂和 W 原子向表面的定向发射，在 W 表面很快观察到微观结构，如针孔、陨石坑甚至绒毛，这不仅影响W的热力学性质和寿命，而且影响等离子体的稳定运行。因此，寻找高性能面向等离子体材料（PFM）是实现聚变反应堆商业应用的最重要和最具挑战性的任务之一。

来自武汉大学和厦门大学的学者发现 CrMoTaWV 高熵合金 (HEA) 对低能量和高通量 He 等离子体暴露具有高度抵抗力。纳米通道 HEA 薄膜的绒毛形成初始注量是 W 的 20 倍，绒毛生长速度明显慢8.9 倍。结合原位 TEM 观察和 He 气泡生长过程的分子动力学 (MD) 模拟, 本研究发现了一种增强HEA 抗辐射性的新机制，即 HEA 与 He 之间的异常相互作用，与传统金属不同，HEA 中的气泡生长导致间隙原子的非定向发射，而 HEA 极大地抑制了 He 的生长气泡。特殊的纳米通道结构通过将He释放出HEA薄膜，降低He浓度，进一步提高了抗辐射能力。这种新型纳米通道耐火HEA材料为未来商业聚变反应堆提供了具有优异性能和更长使用寿命的PFM的有前途的选择。相关文章以“Enhanced resistance to helium irradiations through unusual interaction between high-entropy-alloy and helium”标题发表在Acta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118765

图 1. 纳米通道 HEA 薄膜的微观结构。(a) CrMoTaWV 纳米通道 HEA 薄膜的横截面 TEM 图；(b) (a) 中白框区域的 EDS 元素映射图像；(c) 纳米通道HEA薄膜的表面SEM图像，以及相应的横截面SEM图像；(d) 纳米通道 HEA 薄膜的 2D 掠入射 XRD 图

图 2. He 等离子体辐照的样品的表面形貌 SEM 图像和相应的横截面 SEM 和TEM 图像，流量从 1 × 1024 到 3 × 1026 个离子每平方米。（a1-a4，b1-b4）纳米通道HEA 薄膜，（c1-c4，d1-d4）散装 HEA，（e1-e6，f1-f6）散装 W。

图 3. 纳米通道 HEA 膜、块状 HEA、块状 W 的模糊厚度和参考文献中的结果。[11,13,50,51] 和相应的根据等式绘制的拟合曲线。

图 4. 纳米通道 HEA 薄膜 (a–e) 和 W 薄膜 (f–j) 中 He 气泡形成和演化的原位明场 TEM 图像，在 1123 K 下被30 keV He+ 离子照射到通量7.07 × 1016 He+cm− 2. (c–e) 中的插图显示了红色框区域的放大图像。(a–j) 中的比例尺相同 (20 nm)，(c–e) 中的插图具有相同的比例尺 (10 nm)。(k) 和 (l) 分别是原位 TEM 照射期间纳米通道 HEA 薄膜和 W 薄膜中 He 气泡的尺寸和密度分布。(m) 40 keV He+ 离子照射到 1 × 1017个离子每平方米的纳米通道 HEA 薄膜和 W 薄膜的 He 解吸光谱。

图 5. HEA 中 He 气泡生长的 MD 模拟。(a) HEA 中 He 气泡的压力作为模拟时间的函数（即 He 原子数）；(a) 中 i 和 ii 的插图显示了在 0.13 和 2.0 ns 时 HEA中 He 气泡附近的 SIA 位置；红色原子是自填隙原子，蓝色原子是 He 原子。(b) HEA 中自填隙原子的形成能量分布。(c) Cr 的〈111〉哑铃放松前后的四种变化。

图 6. 随着 He 原子数在 300 K 增加到800 个原子，靠近表面的 HEA (a–e) 和 W (f–j) 中的 He 气泡生长过程。(d) 和 (e) 中的黄色原子) 是 He 气泡在破裂前被举起的表面原子；(e)中的蓝色原子是释放的He原子；(g–j) 中的绿色原子是由 He 气泡诱导的发射 W 吸附原子。

图 7. 绒毛形成的微观结构演变和示意图。纳米通道 HEA 薄膜在 (a) 1 × 1025、(b) 5 × 1025、(c) 1 × 1026、(d) 3 × 1026 个离子每平方米的注量下的横截面 TEM 图像；(e1) (e) 体积 W 中绒毛形成的突起和 (e2) He 气泡破裂；He 气泡在 (f) 块状 HEA 和 (g) 纳米通道 HEA 薄膜中破裂形成绒毛的微观过程示意图。

综上所述，本研究制备了一种新型单相纳米通道 CrMoTaWV HEA 薄膜面向等离子体材料。在 1270 K 的低能量和高通量 He 等离子体暴露下，HEA 不仅表现出比 W 高 20 倍的绒毛结构形成注量，而且绒毛的生长速度显着降低 8.9 倍。原位 TEM 观察和TDS 结果表明，纳米通道 HEA 薄膜中 He 原子的扩散和 He 气泡的生长比 W 中的慢得多。MD模拟表明，He 气泡在纳米通道中生长引起的自填隙原子由于周围复杂的原子环境，HEA不发射到表面而是以非定向方式四处迁移，不同于发射到表面形成突起的W原子。与传统金属相比，HEA 和 He 之间存在一种不寻常的相互作用：HEA 中 He 气泡生长引起的 SIA以非定向方式分布在气泡周围，而不是像 W 中那样以位错环的形式定向发射. 同时，HEA有效地阻碍了He气泡的生长和聚结形成大气泡。因此，He 等离子体照射下 HEA 中绒毛的生长减慢。与本体 HEA 相比，纳米通道结构进一步增强了耐辐照性，因为纳米通道的自由表面将 He 原子释放到基质外。结果清楚地表明纳米通道结构的HEA材料是一种很有前途的新型面向等离子体材料和核结构材料。（文：SSC）

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