鋯合金具有極低的熱中子捕獲截面、優異的耐腐蝕性能和抗高溫蠕變等優點，被廣泛用作核反應堆中的燃料包殼和壓力管等關鍵部件。然而，長時間暴露在高能中子的輻照下會使具有織構的鋯合金部件發生不可逆的各項異性形狀改變，即輻照生長。輻照生長大大限制了鋯合金的使役安全性和服役壽命。傳統認為，高能粒子輻照產生的柱面間隙型位錯環和基面空位型位錯環（c-loop）的各項異性分布是造成鋯合金輻照生長的“罪魁禍首”。然而，大量實驗研究發現，基面空位型位錯環只有達到一定的輻照臨界條件才會形成，而且基面位錯環的尺寸通常都大于13 nm，這一現象很難解釋輻照初期鋯合金的輻照生長現象，也對傳統的輻照生長機制提出了挑戰。

圖1 鋯的基面二維三角形空位型缺陷 

近日，西安交通大學材料學院韓衛忠教授研究組發現輻照初期在純鋯中形成了一種新型的納米尺度三角形空位型缺陷，從而提出基面三角形空位型缺陷是鋯合金中基面空位型位錯環的前驅體。研究發現，氦離子輻照后的純鋯中形成了高密度的<a>型位錯環，極其少量的<c>型位錯環和大量的二維三角形空位型缺陷。高密度的間隙型<a>位錯環分布在柱面上，少量<c>型位錯環和大量的二維三角形空位型缺陷分布在基面上。統計發現二維三角形空位型缺陷的尺寸普遍在12 nm以下（如圖1所示）。

理論計算表明（如圖2所示），具有特殊晶體學面特征（三角型的邊沿柱面）的二維三角型空位型缺陷在達到一定臨界尺寸后可以直接塌縮成基面空位型位錯環。在基面二維三角形空位型缺陷的形成過程中，鋯合金中的微量元素扮演著非常重要的角色，如極少量的氫原子就可以大大降低鋯的基面表面能，從而促進二維三角型缺陷的形核和長大，進而轉變成<c>型位錯環，造成輻照生長。

圖2：鋯基面位錯環和二維三角形空位片的尺寸分布和彈性能比較

該研究通過設計較為“溫和”的輻照實驗，從基面法線方向研究材料輻照初期的微觀缺陷特征，從實驗角度發現了一種基面空位型位錯環的形成機制，揭示了微量元素對空位型位錯環在“孕育期”的關鍵作用，對于理解和調控金屬材料的輻照生長行為提供了關鍵依據。

相關工作以“Two-dimensional vacancy platelets as precursors for basal dislocation loops in hexagonal zirconium”為題發表在學術期刊《自然通訊》（Nature Communications）。西安交通大學材料學院博士生劉思冕為論文第一作者，韓衛忠教授為論文通訊作者，合作者包括加州大學圣巴巴拉分校Irene Beyerlein教授。該工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃和西安交通大學青年拔尖人才支持計劃等項目的共同資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19629-5