導讀：本研究基于實驗設計與理論模擬相結合，驗證了構造多級特征結構以實現高性能材料的有效策略，同時利用特殊界面調控氦泡生長的動力學過程，最終使銅鈮復合材料具有優異的機械、超導和抗輻照性能，并有望應用于核聚變領域。

鈮（Nb）基合金是一種廣泛用于制備加速器及未來聚變堆的超導體材料。由于以超導帶材為形式制作的磁體線圈需要經歷繞制工藝，并在服役過程中承受巨大的洛倫茲力，以及易在晶界/相界（GBs/PBs）中累積核反應產物氦（He）。因此，應用于聚變領域的結構功能材料需具備較高強度、較好塑性及優異的抗輻照損傷性能。

近日中科院合肥研究院固體物理所與美國麻省理工學院等合作，在聚變堆超導帶材的設計及其抗氦輻照損傷研究方面取得進展。科研人員采用了一種改進的累積疊軋焊接技術（coded-ARB），通過“編碼”二元組分的尺度分布，制備出一種具有多級特征結構并滿足上述性能要求的鈮基納米疊層材料。該研究以“Superconducting Cu/Nb nanolaminate by coded accumulative roll bonding and its helium damage characteristics”為題，發表在金屬材料頂級期刊《Acta Materialia》上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420305371

操縱微觀結構的特征尺度是一種用于優化材料性能的設計策略。本論文研究發現，通過實現類似“條形碼”形貌的雙相分層結構可以有效的調控箔材在軋制過程中的局部應力分布，將部分剪切力轉化為壓應力，延緩材料開裂，增加等效應變。其中，高密度的納米級銅層抑制位錯運動，通過防止裂紋在鈮基體層間的拓展，進而提高納米疊層材料的強度和韌性，并增強了納米級鈮層的抗氧化能力。同時控制加工過程中材料內部應力場的變化構建出不同的界面類型，即通過不斷累積的失配位錯與界面發生相互作用，利用“位錯泵”效應加速銅與鈮原子之間的固溶，形成化學混合區域。并隨著塑性應變的積累，晶格缺陷密度的增大，界面演變為具有三維尺度的非晶無序結構。

圖1. 具有多級特征結構的鈮基納米疊層材料的制備工藝過程。

圖2. 鈮基納米疊層材料中的多級特征結構形貌——（a，b）“條形碼”狀分布的Cu/Nb二元疊層結構，（c）化學混合態與（d）非晶無序態的Cu/Nb界面結構。

圖3. （a）傳統疊軋焊接及（b，c）“編碼”軋制過程中多尺度銅鈮疊層材料的應力場演化，（d，e）不同類型界面附近的位錯分布。

研究人員通過氦離子輻照實驗及分子動力學模擬分析得出，由于氦在界面的擴散系數較高，氦間隙更易在有序的二維（2D）相界面聚集為氦泡，并降低材料的力學性能。相反，化學混合和非晶結構構建的三維界面（3D）因含有較多的自由空間，能夠提供豐富的氦泡形核位點，從而有效的抑制氦團簇長大，使得納米多層復合材料具有更好的抗氦輻照能力。

圖4. （a-f）分子動力學模擬三種不同界面中氦的演化過程以及（g）氦濃度和氦團簇尺度分布統計，（h-j）氦離子輻照后不同界面的微觀結構及氦泡形貌。

針對材料的超導性能，研究證明軋制態的多尺度銅鈮疊層材料因化學摻雜的界面結構增強了對磁通線的釘扎效應，這一趨勢在較高磁場下更為明顯。但退火態的銅鈮材料因層狀結構失穩，界面散射增加，其超導性能則被抑制。綜上所述，此類復合材料獲得了與純鈮相似的超導電流負載能力。

圖5.（a）不同特征尺度的鈮基納米疊層材料力學性能及（b）不同狀態鈮基疊層材料超導金茲堡－朗道方程擬合對比。