鐵納米晶輻照損傷自修復(fù)機(jī)理研究獲進(jìn)展

　　最近，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所內(nèi)耗與固體缺陷研究室核材料團(tuán)隊(duì)科研人員與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、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(xué)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(fù)機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展，相關(guān)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(shí)，會(huì)生成空位-自間隙原子缺陷對(duì)，即“輻照損傷”。這些缺陷經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的擴(kuò)散、聚集和復(fù)合等形成缺陷團(tuán)簇、空洞等，使材料的力學(xué)、熱學(xué)等性能退化，如腫脹、脆化等。近年來人們?cè)趯?shí)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(duì)納米晶的“輻照損傷自修復(fù)”現(xiàn)象人們先后提出了幾種微觀機(jī)理。其中主流的觀點(diǎn)認(rèn)為這與納米晶中具有高體積分?jǐn)?shù)的晶界吸收輻照缺陷有關(guān)，因?yàn)榫Ы缤ǔＷ鳛楦鞣N類型的缺陷的“阱”。然而這種觀點(diǎn)解釋不了部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在較低溫度實(shí)驗(yàn)條件下活性低的空位尚未被激活時(shí)，納米晶相對(duì)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(fù)合晶界附近的空位。這種“自間隙發(fā)射”機(jī)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(jī)理卻較難理解，因?yàn)橥ǔＷ蚤g隙原子由于與晶界有較大的結(jié)合能，而很難從晶界“缺陷阱”發(fā)射出來。特別是晶界內(nèi)部的原子過程對(duì)修復(fù)輻照損傷起到何種作用尚未引起關(guān)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(dòng)力學(xué)、靜態(tài)計(jì)算和實(shí)體動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛方法），系統(tǒng)地考察了鐵納米晶中輻照點(diǎn)缺陷與晶界基本相互作用的跨尺度演化。重點(diǎn)關(guān)注塊體和晶界內(nèi)部的缺陷擴(kuò)散、復(fù)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(nèi)部耦合的輻照缺陷偏聚、復(fù)合過程有關(guān)（圖1和2）。當(dāng)自間隙原子處于塊體或晶界附近時(shí)，在其周圍均形成空位-自間隙低能壘復(fù)合湮滅區(qū)域，有利于空位-自間隙復(fù)合。復(fù)合湮滅涉及兩個(gè)基本的耦合過程。在自間隙原子和空位偏聚到晶界前，它們?cè)趬K體中復(fù)合了相當(dāng)高的比例。未在塊體中復(fù)合的自間隙原子偏聚至晶界處，以沿晶擴(kuò)散、巡游的方式復(fù)合晶界附近的空位，而不必發(fā)射出去。這兩種機(jī)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(fù)圖像，如圖3所示。

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

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