圖 1. 沉積狀態下設計材料的離子束分析。分別使用沉積態 HEC（A 和 B）和 HEA（C 和 D）樣品獲得的 EBS/RBS 光譜和 PIXE擬合。

圖 2. 設計材料在沉積狀態下的晶體學分析和微觀結構形態。圖 A 中的繪圖顯示了 HEC、HEA 和 AISI-316L（底物）的 GI 衍射圖。B 和 C 中的 Pawley 精修分析表明 HEC 具有 B1 (NaCl) 晶體結構，而 HEA 具有 A2 (BCC) 晶體結構。在圖 B（對于 HEC）和 C（對于 HEA）中，黑色曲線代表模擬模式，紅色曲線代表觀察數據，藍色曲線代表觀察曲線和模擬曲線之間的差異。使用的結構模型的峰值位置由模擬/觀察曲線下方的藍色垂直條標記。計算的晶格參數如表 2 所示。D 和 E 中的 DFTEM 顯微照片分別顯示了原始 HEC 和 HEA 的納米級微觀結構形態。HEC表現出具有柱狀排列趨勢的等軸狀納米晶微觀結構，而HEA具有純納米晶尺寸的柱狀微觀結構。

圖 3. 原位 TEM 重離子輻照下的顯微結構演變。從 A 到 D 和從 E 到 H 的 BFTEM 顯微照片分別顯示了 HEC 和 HEA 在輻射下的微觀結構演變，劑量高達 10 dpa。

圖 4. 輻照后的 Xe 保留。BFTEM 顯微照片 A 和 C 顯示了兩種設計材料的沉積微觀結構。B和D中聚焦不足的BFTEM顯微照片顯示了10 dpa時微結構內的Xe氣泡。E 和 F 中的直方圖分別量化了 HEC 和HEA 中 10 dpa 后觀察到的 Xe 氣泡的平均大小。

圖 5. 照射后的形態學變化。A 和 C 中的彩色 DFTEM 顯微照片以及 B 和 D 中的 SAED 圖案分別顯示了 HEC 的微觀結構及其在照射前后的相應衍射圖案。在 10 dpa 后，HEC 輻照前后的平均晶粒尺寸估計為 9.8 ± 0.9 和 14.9 ± 0.8 nm。E 和G 中的彩色 DFTEM 顯微照片以及 F 和 H 中的 SAED 圖案分別展示了照射前后 HEA 的微觀結構。

圖 6. 微觀結構分析研究。從 A 到 M 和從 N 到 Y 的一組 STEM-EDX 元素圖分別展示了 HEC 和 HEA 在高達 10 dpa 的輻照前后的微觀結構。由于重離子輻照，HEC 和HEA 既沒有遭受輻射誘導的偏析，也沒有發生相變。一組 HAADF 和 BFSTEM 顯微照片 AA 和 AC、AB 和 AD 分別顯示了襯底/薄膜系統在輻照前后的一般情況。

圖 7. 計算結果。BCC (A) 中 HEA 和巖鹽中HEC (RS) (B) 隨機配置的形成能，HEA (C) 和HEC (D) 中單個空位的形成能，單個空位對 HEA 物種位點的貢獻(E) 和 HEC (F)。

如本文所示，高熵材料在不久的將來展現出巨大的功能化和商業化潛力。研究了一種新型高熵碳化物及其高熵合金對應物（本文定義為 HEC 和 HEA），考慮到它們在極端環境中的應用，特別是在高能粒子輻射是主要退化機制的情況下。重離子與原位 TEM 的方法已首次用于評估這種新型 HEC 的輻照響應。面對傳統陶瓷材料在輻照下的可用文獻，HEC 和 HEA 都沒有顯示出任何由于原子碰撞其微觀結構而導致的局部化學不穩定性（例如 RIS 和 RIP）。令人驚訝的是，在與輕水反應堆相關的溫度下，高達 10 dpa 的 HEC 沒有發生非晶化。兩種材料均觀察到輻照誘導的晶粒生長，HEC 表現出（在統計誤差范圍內）優于 HEA 的性能。觀察到 Xe 氣泡在兩種材料中成核和生長，但發現它們在 10 dpa 時的最終尺寸比在輻照下觀察到的常規核燃料陶瓷材料小得多。這些結果表明 HEC 的輻射耐受性略高于 HEA。DFT 計算證實了本文提出的發現。通過優于現有陶瓷材料，可以得出結論，HEC 具有在極端環境下進一步研究的巨大潛力。基于 HEC 概念制造新型核燃料材料的可能性可能會很快通過部署具有增強的抗輻射性和增強的裂變氣體保留的新材料來徹底改變這一領域。

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