以能源部橡树岭国家实验室为首的能源前沿研究中心的研究人员表明，可以通过改变材料的化学复杂性改变能量的耗散和缺陷的演化，从而制造出抗辐射材料。研究结果表明，提高合金的复杂性，产生的缺陷较少且较小。
 

　　该图为复杂合金的电子状态图；被标记部分的曲线表明电导率和热导率有所降低。
图片为美国能源部橡树岭国家实验室的G. Malcolm Stocks所拍摄。

　设计能够承受极端环境的合金对材料学家来说是一个重要挑战。辐射会诱使合金产生缺陷，因此，以能源部橡树岭国家实验室为首的能源前沿研究中心的研究人员正在研究如何设计出在辐射条件下产生缺陷较小的结构材料。关键是，他们在Nature Communications中指出正在研究由四种不同金属元素等量制成的合金的复杂性。

　“化学的复杂性使我们能够改变能量的耗散和缺陷的演化，”第一作者张衍文（音译）说，他领导着美国科学能源办公室资助的被称为“能量耗散到缺陷演化”（EDDE）的能源前沿研究中心。该研究中心逐步发展，在近15个月来汇集了二十多个有着实验和建模专业知识的研究人员。EDDE在橡树岭、洛斯阿拉莫斯国家实验室、劳伦斯-利弗莫尔国家实验室、密歇根大学、威斯康星大学麦迪逊分校和田纳西州诺克斯维尔大学都有合作伙伴。

　辐射会损害航天器、核电厂和高能加速器。核反应产生的高能粒子——离子和中子——会在扩散能量的过程中损坏材料，从而随着时间的推移形成缺陷。目前核反应堆提供了美国五分之一的电力，因此能够承受辐射的先进结构材料是国家使用核反应堆的重要需求。新一代反应堆将有望使用寿命更长，抗辐射水平更高。

　在反应堆中，一个高能粒子带动成千上万的原子运动，使它们脱离晶体晶格中的原有位置。随着能量的耗散，大多数流离失所的原子会返回其原有晶格位置，但是有些则没有。辐射就是以这种方式破坏原子有序排列在晶格中的结构材料的，甚至会改变其结晶性能。

　在典型的轻水反应堆中，其结构组分的所有原子平均被移动20次，累积损伤可能会影响到材料的性能。为了准备新的反应堆概念，科学家们将不得不设计出能够承受原子移动超过200次的新一代核材料。

　金属合金通常包括一种或两种主导元素形成的多种相，这些元素通过加入其它次要元素而改性，但是最近一种特殊的材料激起了研究人员极大的兴趣。以包含五种甚至更多种元素的高熵合金为例，在这些特殊的合金中，几种不同类型的原子以相等的比率随机分布在一个简单的晶格中。事实上，伯克利分校和橡树岭实验室的研究人员最近表明，这些大约十年前发现的合金中，有些在低温下表现出超强的强度和延展性。在所有这些合金中，化学上的无序性直接导致其性能的变化。

　EDDE研究的目标是确定组分的复杂性如何引起导热性和导电性差异，从而影响初期缺陷动力学的，而缺陷动力学在稍后阶段又影响结构材料的鲁棒性。研究结果表明了先进合金是如何通过化学无序性大大增强其辐射性能的。

　该研究调查了一组含有镍和其它一至三种等量元素的合金小说。这些合金包括镍-钴，镍-铬-钴和镍-铬-铁-钴。这些化学元素随机分布在晶格中，形成了独特的点到点模式，虽然微观上有些扭曲，但其晶格仍然保留了宏观的晶体结构。

　科学家们结合理论和实验制造了无与伦比的优质合金的晶体。然后他们计算了电子结构的变化和化学无序性导致的固有传输性，并确认计算结果与每个晶体的电阻率和导热性的实验测量相符。通过整合离子辐射的结果，缺陷的模拟，离子束分析以及微观结构特征，他们表明在这些合金中缺陷的产生和损伤的累积明显减少。调查结果表明缓慢的能量消耗和抑制的缺陷演化之间存在着一定的联系。

　“从纯镍到二元合金再到更复杂的四元合金，我们观察到抑制的损伤随着化学无序性的增加而累积。”张说。

　材料的电子能带结构决定了电子如何导电和导热。在一般的金属中，能量迅速消散因为电子几乎不发生散射——当高能粒子击中晶体完美的原子排列时，产生的能量波是无障碍物并且可以迅速地传播，只在撞击部位留下很少的能量。然而，在多组分无序合金晶体中原子无序排列，当高能粒子击中晶格原子时，产生的能量遇到障碍物并较长时间地保留在那里。

　EDDE研究表明，提高合金的复杂性会产生较少和较小的缺陷。它还表明性能的显著改善与抗辐射损伤有关。

　事实证明，只增加组成元素的数量（从而增加其无序性或者熵）未必会形成最好的具有特定功能的合金。而确定哪种组合效果最好取决于很多方面，如结构扭曲，组成原子的化学性能，电子性能以及磁性能。

　组分中化学无序性高的新一代合金导电率和导热率都明显比传统合金低。随着时间的推移，它可减缓能量耗散，产生削弱结构材料的缺陷极少。减缓能量耗散可以消除一些局部缺陷，这一现象甚至表明了发展自愈核结构材料的可能性。

　要了解合金复杂性如何决定材料的性能仍需进一步的研究。目前的知识可能会激发先进能源系统合金的新设计原则。张衍文还表示，“这些原子和电子水平上缺陷动力学的见解为解决结构材料长期以来的挑战提供了创新道路。”

责任编辑：班英飞

《中国腐蚀与防护网电子期刊》征订启事
投稿联系：编辑部
电话：010-62313558-801
邮箱：ecorr_org@163.com
中国腐蚀与防护网官方 QQ群：140808414