鐵納米晶輻照損傷自修復機理研究獲進展

　　最近，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所內耗與固體缺陷研究室核材料團隊科研人員與中國科學技術大學、中科院合肥研究院等離子體物理研究所、北京航空航天大學及中科院近代物理研究所科研人員合作，在鐵納米晶輻照損傷自修復機理研究方面取得新進展，相關研究成果發(fā)表在金屬材料期刊Acta Materialia (2016,109,115-127)上。

　　材料遭受高能粒子（如中子、離子）輻照時，會生成空位-自間隙原子缺陷對，即“輻照損傷”。這些缺陷經過長時間的擴散、聚集和復合等形成缺陷團簇、空洞等，使材料的力學、熱學等性能退化，如腫脹、脆化等。近年來人們在實踐中發(fā)現(xiàn)納米晶金屬具有較佳的抗輻照損傷性能。針對納米晶的“輻照損傷自修復”現(xiàn)象人們先后提出了幾種微觀機理。其中主流的觀點認為這與納米晶中具有高體積分數(shù)的晶界吸收輻照缺陷有關，因為晶界通常作為各種類型的缺陷的“阱”。然而這種觀點解釋不了部分實驗結果：在較低溫度實驗條件下活性低的空位尚未被激活時，納米晶相對于大塊多晶材料依然表現(xiàn)出抗輻照特性。近年理論模擬發(fā)現(xiàn)輻照過程中優(yōu)先偏聚在晶界處的自間隙原子可以重新發(fā)射出來，復合晶界附近的空位。這種“自間隙發(fā)射”機理能夠在較低溫度下工作，解釋了納米晶的低溫抗輻照損傷特性。然而這種機理卻較難理解，因為通常自間隙原子由于與晶界有較大的結合能，而很難從晶界“缺陷阱”發(fā)射出來。特別是晶界內部的原子過程對修復輻照損傷起到何種作用尚未引起關注。

　　科研人員采用自主開發(fā)的一套納米晶材料輻照損傷跨尺度模擬程序（綜合分子動力學、靜態(tài)計算和實體動力學蒙特卡洛方法），系統(tǒng)地考察了鐵納米晶中輻照點缺陷與晶界基本相互作用的跨尺度演化。重點關注塊體和晶界內部的缺陷擴散、復合過程及其之間的耦合作用。研究發(fā)現(xiàn)，鐵納米晶抗輻照性能與其晶界附近和內部耦合的輻照缺陷偏聚、復合過程有關（圖1和2）。當自間隙原子處于塊體或晶界附近時，在其周圍均形成空位-自間隙低能壘復合湮滅區(qū)域，有利于空位-自間隙復合。復合湮滅涉及兩個基本的耦合過程。在自間隙原子和空位偏聚到晶界前，它們在塊體中復合了相當高的比例。未在塊體中復合的自間隙原子偏聚至晶界處，以沿晶擴散、巡游的方式復合晶界附近的空位，而不必發(fā)射出去。這兩種機理均能在低溫下起作用。該工作給出了鐵納米晶微觀和宏觀的輻照損傷自修復圖像，如圖3所示。

　　該研究工作得到國家磁約束聚變項目、中科院戰(zhàn)略先導專項、國家自然科學基金項目、國際原子能機構（IAEA）國際合作項目和合肥大科學中心等項目的資助。

　　相關成果發(fā)表在Acta Materialia (2016,109,115-127)，詳細數(shù)據(jù)支持結果發(fā)表在 Data in Brief (2016,7,798-813)。