導讀：鎢在極端溫度和輻射環境中顯示出高強度，被認為是聚變核反應堆的有前途的面向等離子體的材料。與其他金屬不同，它經歷了大量的輻照硬化，從而限制了使用壽命并存在安全問題。近日，西安交通大學材料學院微納中心韓衛忠教授課題組系統研究了高溫氦離子輻照鎢的強化機理。在這里，我們證明輻照導致強度增加近 3 倍，而產生的常見缺陷僅貢獻不到三分之一的硬化。對標記原子 - 氦離子分布的分析表明，超過 87% 的空位和氦原子下落不明。由于高空位遷移能，大部分氦-空位配合物被凍結在晶格中。

聚變承諾為人類提供無限的能量。然而，不幸的是，14.1 MeV 聚變中子會激活許多核素（例如 Ni），并且還會在材料內部留下氦 (He)。低活化元素，如鎢 (W)、釩和鐵，正成為最有前途的結構金屬元素。然而，這類金屬具有體心立方 (BCC) 晶體結構，當暴露于輻射時，其屈服強度往往會顯著增加。這種被稱為輻射硬化的現象在 BCC 金屬中比在面心立方 (FCC) 和六方密堆積金屬 (HCP) 中嚴重數倍。 更重要的是，這種超高輻射硬化 (UIH) 在 BCC 金屬中無處不在并且無法根據觀察到的納米級輻照缺陷（即氣泡、空隙或位錯環）進行準確估計。大多數硬化理論都基于對這些輻射引起的缺陷的密度和尺寸的了解，然而，通過僅考慮那些可見缺陷，其中一些導致的預測遠低于實驗測量的硬化。

鎢是一種典型的難熔金屬，由于其熔化溫度高、濺射產額低和蒸發系數小，被認為是聚變核反應堆中面向等離子體的材料的理想候選材料。在聚變反應堆運行期間，W 暴露于高通量中子輻射、輕離子等離子體轟擊和高熱通量。輕離子被注入到 W 中，并傾向于與輻射引起的空位結合形成氣泡。像其他 BCC 金屬一樣，W 表現出 UIH，其中所有傳統模型估計都證明遠小于實驗觀察到的硬化。W 中的 UIH 進一步降低了這種已經很脆的材料的韌性和延展性。BCC 金屬中的 UIH 被認為與異常大量的點缺陷有關，這些點缺陷在輻照過程中產生，但在當前的顯微鏡技術中是不可見的。

在這里，西安交通大學材料學院微納中心韓衛忠教授課題組研究了注入 He 的單晶 W 中的輻照硬化。He 離子被用作標記原子來跟蹤輻照誘導的點缺陷的分布。我們結合納米力學測試、透射電子顯微鏡和分子動力學 (MD) 模擬來揭示輻照硬化的機制。原位測試表明，氦離子輻照后，鎢的屈服強度提高了兩倍。鎢的超高輻照硬化的起源不能用傳統的強化理論很好地解釋。相關工作以“Atomic-Scale Hidden Point-Defect Complexes Induce Ultrahigh-Irradiation Hardening in Tungsten”為題發表在學術期刊 Nano Letters 。西安交通大學材料學院碩士生鄭若瑤為論文第一作者，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教授和Wu-Rong Jian博士。該工作得到了國家自然科學基金（優青、面上）等項目的共同資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c01637

圖1a 顯示了具有不同 He 濃度和輻射損傷水平的 W 單晶的典型壓應力 - 應變曲線，范圍從 0 到 20 at。%。作為參考，我們觀察了純 W 柱 W-0（無 He）的應力應變響應，它在大約 2.1 GPa 的應力水平下屈服，并表現出不均勻變形的經典跡象。其屈服后的應力應變響應具有頻繁的應變爆發，如圖所示。這些爆發與晶體表面上急劇滑移臺階的形成有關。隨著 He 濃度增加到 0.7 at，輻照 W 的應力應變響應具有越來越高的屈服強度。% (W-0.7), 1.9 at. % (W-1.9)，高達 9 at。% (W-9)。W-9 和 W-20 (20 at. %) 的屈服強度相似，達到純 W-0 的 2.7 倍。輻照材料響應顯示出穩定的變形，沒有不穩定的應變爆發。中的插圖圖1a (II) 進一步顯示了均勻變形。受輻照的柱子也經歷了顯著的應變硬化

圖1 鎢的超高輻照硬化

圖2 大量不可見點缺陷復合體造成了鎢的超高輻照硬化

圖3。(a)純W中位錯在應變作用下在表面快速移動并消失。(b)位錯緩慢退出并被輻射缺陷捕獲。(c)位錯密度和長度隨應變增加的演化。(d)純W和W-20中位錯滑移速度和曲率的比較。

圖4。因緊張而脫臼的鞠躬。(a)純W在應變作用下產生的直螺位錯。(b)位錯被隱藏的輻射缺陷所阻擋，在W-20中形成弓形結構。這種行為表明，在這種情況下，邊緣位錯和螺釘位錯的流動性是相當的