高性能結構材料，特別是耐高溫輻照金屬材料，對于核能的發展和應用至關重要。反應堆運行中不可替換的結構材料在高溫高劑量輻照等極端環境中長期服役，其性能退化甚至失效往往與輻照引起微觀結構演變密切相關，尤其是空洞等典型輻照缺陷的形成。長期以來，設計高抗輻照材料的主流和傳統策略是在材料中引進界面，例如，在材料中引入高密度納米粒子，這些粒子通過其界面區域（通常是氧化物納米粒子和鋼基體之間的錯配界面）湮滅輻照缺陷以提高材料抗輻照損傷能力。基于這一策略，研究者近些年取得了很多重要的進展。但是，高溫高劑量輻照導致的界面不穩定、輻照缺陷隨著輻照劑量的進一步增加而逐漸累積并最終導致材料的失效等，是迄今未突破的瓶頸問題。

近日，北京大學付恩剛教授團隊和北京科技大學呂昭平教授團隊合作，在國際著名期刊Nature Materials 報道，發現共格納米粒子湮滅缺陷行為，揭示了其循環溶解再析出的缺陷湮滅機制，提出了一種全新的通過超晶格納米粒子動態有序-無序轉變提高材料抗輻照損傷能力的材料設計策略。

聯合研究團隊通過在馬氏體鋼中引入完全共格結構的化學有序Ni(Al,Fe)金屬間納米析出相，在高溫（400-600 ℃）輻照下，因其極低的形核勢壘和極易發生的短程溶質重排主導的動力學行為，使之快速地進行有序-無序-有序循環動態轉變，這種局域相變在溶質和點缺陷長程擴散受到限制的同時，通過增強溶質和缺陷的局域重組，持續高效消除輻照產生的缺陷并使高密度析出相動態穩定，在超高劑量的離子輻照后無空洞腫脹，展現出超高抗輻照腫脹能力。該策略被證實在中熵合金中同樣有效，對于開發工程應用新型高耐輻照材料和深入了解輻照機制都極具意義。結合前期研究（Nature, 2017, 544, 460–464，點擊閱讀詳細）表明，共格有序納米粒子在合金抗輻照損傷、高強韌方面方面均表現出優異的特性。期待這一策略可以進一步應用在其它合金材料體系如高熵合金、鎢基合金和其他納米結構合金。

圖文解析

圖1. 含高密度Ni(Al,Fe)納米粒子的超晶格鋼在離子輻照條件下的超高耐輻照性能。圖b和c比較表明該超晶格鋼具有很高的抗輻照腫脹性能。

高溫輻照條件下，傳統合金材料在輻照開始時輻照損傷累積，此時輻照腫脹較小，一旦輻照損傷超過臨界dpa，就會發生快速腫脹，材料的性能也隨之迅速退化，而超晶格鋼在400 ~ 600 ºC溫度范圍內表現出超高的抗輻照腫脹性能，未觀察到類似傳統合金中的輻照腫脹行為。超晶格鋼在輻照劑量達到2350 dpa（6 MeV Au離子）后未觀察到輻照空洞，而9Cr ODS鋼在輻照達到840 dpa后可以觀察到高密度的輻照空洞。

圖2. 利用HAADF-STEM圖和APT三維重構技術確定不同輻照條件下超晶格鋼組織演變。

高溫輻照前后析出相尺寸、形貌未發生明顯變化。相應的原子分辨HAADF-STEM圖顯示輻照后其有序結構得以保留，同時觀察到富Ni區域，結合原子分辨STEM和APT分析可以發現，富Ni區域表現出無序結構，同時在這些富Ni區域內部可以觀測到有序納米粒子。HAADF-STEM圖可以觀察到輻照引入位錯環及與位錯環相鄰的有序納米粒子存在，輻照引入的位錯被納米粒子有序-無序轉變后修復，EDS分析表明修復后的位錯環痕跡富Ni，而Al則均勻分布。

圖3. 超晶格鋼中有序納米粒子有序-無序轉變隨時間演變示意圖。

小結

本文的工作在輻照缺陷修復方面另辟蹊徑，突破了傳統機制，展示了一種通過簡單有序的超晶格納米粒子來增強金屬材料抗輻照腫脹能力的策略。納米粒子與基體之間極小的晶格失配、大的成分容差和高過飽和度設計，使得其在輻照溶解后立即通過短程溶質重排過程快速析出，導致輻照下局部有序-無序-有序轉變循環發生。這一動態過程有效地消除了輻照引入的缺陷，所產生的高密度析出物（間距約10 nm）抑制了位錯環等輻照缺陷的進一步發展，最終促成優異的抗輻照腫脹性能，并表現出對輻照劑量的弱依賴性。這個研究工作可為將來設計用于核反應堆具有高抗輻照性能的先進結構材料提供了一種全新策略。

相關成果以 “Superior Radiation Tolerance via Reversible Disordering-Ordering Transition of Coherent Superlattice”為題發表在Nature Materials 上。這是國內實驗核材料領域和輻照效應領域在Nature Materials 發表的首篇論文，并完全由國內單位和研究人員完成。

北京大學物理學院杜進隆博士、北京科技大學新金屬材料國家重點實驗室蔣雖合研究員和博士生曹培培為論文共同第一作者，北京大學徐川博士、北京科技大學吳淵研究員和北京大學陳華強博士為論文共同作者，北京大學物理學院付恩剛教授、北京科技大學新金屬材料國家重點實驗呂昭平教授為論文共同通訊作者。離子輻照實驗主要基于北京大學核技術應用實驗室2×1.7 MV串列靜電加速器進行，該加速器運行至今已有三十多年，可以進行多種離子注入/輻照實驗（包括但不限于H、He、C、O、Si、Cu、Fe、Au等多種離子）、盧瑟福背散射分析（RBS）及溝道測量。

國際著名核材料領域專家美國橡樹嶺國家實驗室Yanwen Zhang研究員受Nature Materials 期刊邀請專門在期刊的News & Views專欄在線發表了題為“重組納米析出抗輻照” (Reassembled Nanoprecipitates Resisting Radiation) 的推介文章 [1]，評價“這項工作不僅鼓勵研究人員重新審視依賴非共格或半共格界面來捕獲輻照引起點缺陷的策略，而且為領域基礎研究發展，以及為設計新一代核反應堆的先進結構材料提供了一個前進的道路”，同時指出：“通過低成本的傳統方法就可以制備這些材料，意味著它們在工程應用中具有很強的實用性”。

原文：

Superior radiation tolerance via reversible disordering–ordering transition of coherent superlattices

Jinlong Du, Suihe Jiang, Peipei Cao, Chuan Xu, Yuan Wu, Huaqiang Chen, Engang Fu, Zhaoping Lu

Nat. Mater., 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01260-y

參考文獻：

1. Zhang, Y. Reassembled nanoprecipitates resisting radiation. Nat. Mater. (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01283-5