發展核能是實現中國碳中和目標的主要方法之一，而2011年的福島核事故證明冷卻劑泄露事故（LOCA）嚴重威脅核電安全，其原因在于結構材料腐蝕、氧化產氫帶來巨大安全隱患。現有研究提出燃料組件結構材料表面涂層保護技術，以避免傳統燃料組件材料氧化產氫帶來的核燃料泄露威脅。金屬氮化物涂層（例如TiN, CrN）具有出色的熱穩定性和良好耐腐蝕性被認為是保護涂層，其中最關鍵的抗輻照性能則有待進一步加強以保證防護涂層的耐候性。現有增強材料抗輻照性能主要思路在于提升材料內部界面密度，以界面作為尾閭，促進輻照所產生缺陷之間復合與湮滅，其內在機制則是界面無序原子在輻照過程中形成“吸引-釋放間隙原子”，其促進效果與界面特征相關。

對于結構材料抗輻照性能強化技術路徑則主要有細晶強化增加晶界與第二相強化增加相界面兩種，涂層材料抗輻照性能提升策略則包含細晶強化、多層復合以及晶體內部空位設計，而細晶強化使得整體自由能升高，使得材料熱穩定性與輻照穩定性在一定范圍出現明顯下降，晶體內部空位設計則會犧牲材料力學性能，因而多層復合結構在能有效強化涂層力學性能，同時界面可有效阻礙腐蝕介質擴散，因而對于抗輻照性能強化具有良好的提升效果。此外，多層結構中可形成層間材料外延生長，生成新界面。

在之前的研究中，納米復合結構TiSiN涂層的納米晶-非晶界面被證明具有顯著的抗輻照性能提升效果，基于以上理論與前期研究結果，華中農業大學萬強副教授與武漢大學楊兵教授采用多弧離子鍍技術制備CrN/TiSiN納米復合多層涂層，調整工藝，通過分層結構與外延生長，設計出層界面與共格界面共同構筑的3維界面網絡，對涂層進行He+輻照，表征涂層結構與硬度變化，驗證層界面在吸收缺陷、阻礙涂層非晶化的作用，同時提出3維界面網絡有效促進輻照所產生氦泡的擴散的策略。相關研究成果以題“Enhancing irradiation tolerance via building 3D diffusion paths for He+ in multilayers by epitaxial growth”發表在《Materials & Design》上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127522006426

圖1 -70 V 偏壓制備的CrN/Ti75Si25N納米復合多層涂層截面TEM結構與元素分布

圖2 -70 V 偏壓制備的CrN/Ti75Si25N納米復合多層涂層顯微結構

所制備CrN/ TiSiN涂層為納米復合多層結構，其中TiSiN涂層較薄，而CrN涂層生長快單層較厚，層周期為16 nm左右，TiSiN為納米復合結構，CrN與TiN均為納米晶，同時成功在層間通過外延生長形成所設計的共格界面，與層界面一起構筑3維界面網絡。

圖3 輻照前后涂層硬度及其變化比例

輻照使得涂層硬度出現變化，其中高偏壓下涂層硬度均出現下降趨勢而低偏壓下涂層硬度升高，偏壓增大能有效降低涂層輻照后的硬度變化比例，但其影響并非單純線性關系，150V下，涂層展現出最小硬度變化，約為7%。可見，晶粒細化對于抗輻照性能強化存在臨界效應。

圖4 CrN/ TiSiN涂層輻照后結構損傷

圖5 M4損傷層的HAADF分析

在輻照后涂層表面出現明顯非晶層，非晶化會導致涂層硬度下降，非晶層深度在不同涂層中并不相同，其中在高Si樣品中，涂層非晶層厚度隨偏壓升高而逐漸增大，高偏壓下制備樣品則在Si含量升高之后，非晶層厚度逐步減小；HAADF的mapping分析表明，這一非晶層主要集中于CrN涂層，而TiSiN涂層相對完整，非晶化的CrN涂層出現明顯的晶體分解現象，使得層間界面在互擴散下消失，導致硬度進一步下降。

圖 6 輻照后不同涂層氦泡分布顯微顯微分析

涂層層間界面出現大量氦泡，明顯的長大現象，氦泡長大聚集之后，在層界面形成線分布模式，從而在層界面觀察到大量的氦泡線排列，導致涂層出現硬化現象。涂層內部垂直與涂層界面方向也有部分的線排列氦泡，這些垂直方向界面為多層涂層共格生長界面（CI），這些界面可有效吸收He+，從而降低氦泡在層界面聚集，減少多層涂層的脆化傾向。CI界面附近發現一些無氦泡區域，這些區域為層界面與CI界面周圍，再次驗證CI界面可有效傳導He+，當CI界面延伸至表面，則可減少內部He濃度，降低輻照失效風險。

圖7 3維界面網絡對于涂層氦泡擴散以及輻照力學性能變化的影響機制示意圖

由層界面與共格界面所構成的三維界面可有效的實現涂層抗輻照性能提升，其中層界面能有效吸收缺陷，降低輻照非晶化傾向，而共格界面有效提升氦泡擴散，降低涂層腫脹與脆化風險。