以能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室為首的能源前沿研究中心的研究人員表明，可以通過改變材料的化學(xué)復(fù)雜性改變能量的耗散和缺陷的演化，從而制造出抗輻射材料。研究結(jié)果表明，提高合金的復(fù)雜性，產(chǎn)生的缺陷較少且較小。
 

　　該圖為復(fù)雜合金的電子狀態(tài)圖；被標(biāo)記部分的曲線表明電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率有所降低。
圖片為美國能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的G. Malcolm Stocks所拍攝。

　設(shè)計(jì)能夠承受極端環(huán)境的合金對材料學(xué)家來說是一個(gè)重要挑戰(zhàn)。輻射會誘使合金產(chǎn)生缺陷，因此，以能源部橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室為首的能源前沿研究中心的研究人員正在研究如何設(shè)計(jì)出在輻射條件下產(chǎn)生缺陷較小的結(jié)構(gòu)材料。關(guān)鍵是，他們在Nature Communications中指出正在研究由四種不同金屬元素等量制成的合金的復(fù)雜性。

　“化學(xué)的復(fù)雜性使我們能夠改變能量的耗散和缺陷的演化，”第一作者張衍文（音譯）說，他領(lǐng)導(dǎo)著美國科學(xué)能源辦公室資助的被稱為“能量耗散到缺陷演化”（EDDE）的能源前沿研究中心。該研究中心逐步發(fā)展，在近15個(gè)月來匯集了二十多個(gè)有著實(shí)驗(yàn)和建模專業(yè)知識的研究人員。EDDE在橡樹嶺、洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室、勞倫斯-利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室、密歇根大學(xué)、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校和田納西州諾克斯維爾大學(xué)都有合作伙伴。

　輻射會損害航天器、核電廠和高能加速器。核反應(yīng)產(chǎn)生的高能粒子——離子和中子——會在擴(kuò)散能量的過程中損壞材料，從而隨著時(shí)間的推移形成缺陷。目前核反應(yīng)堆提供了美國五分之一的電力，因此能夠承受輻射的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料是國家使用核反應(yīng)堆的重要需求。新一代反應(yīng)堆將有望使用壽命更長，抗輻射水平更高。

　在反應(yīng)堆中，一個(gè)高能粒子帶動成千上萬的原子運(yùn)動，使它們脫離晶體晶格中的原有位置。隨著能量的耗散，大多數(shù)流離失所的原子會返回其原有晶格位置，但是有些則沒有。輻射就是以這種方式破壞原子有序排列在晶格中的結(jié)構(gòu)材料的，甚至?xí)淖兤浣Y(jié)晶性能。

　在典型的輕水反應(yīng)堆中，其結(jié)構(gòu)組分的所有原子平均被移動20次，累積損傷可能會影響到材料的性能。為了準(zhǔn)備新的反應(yīng)堆概念，科學(xué)家們將不得不設(shè)計(jì)出能夠承受原子移動超過200次的新一代核材料。

　金屬合金通常包括一種或兩種主導(dǎo)元素形成的多種相，這些元素通過加入其它次要元素而改性，但是最近一種特殊的材料激起了研究人員極大的興趣。以包含五種甚至更多種元素的高熵合金為例，在這些特殊的合金中，幾種不同類型的原子以相等的比率隨機(jī)分布在一個(gè)簡單的晶格中。事實(shí)上，伯克利分校和橡樹嶺實(shí)驗(yàn)室的研究人員最近表明，這些大約十年前發(fā)現(xiàn)的合金中，有些在低溫下表現(xiàn)出超強(qiáng)的強(qiáng)度和延展性。在所有這些合金中，化學(xué)上的無序性直接導(dǎo)致其性能的變化。

　EDDE研究的目標(biāo)是確定組分的復(fù)雜性如何引起導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性差異，從而影響初期缺陷動力學(xué)的，而缺陷動力學(xué)在稍后階段又影響結(jié)構(gòu)材料的魯棒性。研究結(jié)果表明了先進(jìn)合金是如何通過化學(xué)無序性大大增強(qiáng)其輻射性能的。

　該研究調(diào)查了一組含有鎳和其它一至三種等量元素的合金小說。這些合金包括鎳-鈷，鎳-鉻-鈷和鎳-鉻-鐵-鈷。這些化學(xué)元素隨機(jī)分布在晶格中，形成了獨(dú)特的點(diǎn)到點(diǎn)模式，雖然微觀上有些扭曲，但其晶格仍然保留了宏觀的晶體結(jié)構(gòu)。

　科學(xué)家們結(jié)合理論和實(shí)驗(yàn)制造了無與倫比的優(yōu)質(zhì)合金的晶體。然后他們計(jì)算了電子結(jié)構(gòu)的變化和化學(xué)無序性導(dǎo)致的固有傳輸性，并確認(rèn)計(jì)算結(jié)果與每個(gè)晶體的電阻率和導(dǎo)熱性的實(shí)驗(yàn)測量相符。通過整合離子輻射的結(jié)果，缺陷的模擬，離子束分析以及微觀結(jié)構(gòu)特征，他們表明在這些合金中缺陷的產(chǎn)生和損傷的累積明顯減少。調(diào)查結(jié)果表明緩慢的能量消耗和抑制的缺陷演化之間存在著一定的聯(lián)系。

　“從純鎳到二元合金再到更復(fù)雜的四元合金，我們觀察到抑制的損傷隨著化學(xué)無序性的增加而累積。”張說。

　材料的電子能帶結(jié)構(gòu)決定了電子如何導(dǎo)電和導(dǎo)熱。在一般的金屬中，能量迅速消散因?yàn)殡娮訋缀醪话l(fā)生散射——當(dāng)高能粒子擊中晶體完美的原子排列時(shí)，產(chǎn)生的能量波是無障礙物并且可以迅速地傳播，只在撞擊部位留下很少的能量。然而，在多組分無序合金晶體中原子無序排列，當(dāng)高能粒子擊中晶格原子時(shí)，產(chǎn)生的能量遇到障礙物并較長時(shí)間地保留在那里。

　EDDE研究表明，提高合金的復(fù)雜性會產(chǎn)生較少和較小的缺陷。它還表明性能的顯著改善與抗輻射損傷有關(guān)。

　事實(shí)證明，只增加組成元素的數(shù)量（從而增加其無序性或者熵）未必會形成最好的具有特定功能的合金。而確定哪種組合效果最好取決于很多方面，如結(jié)構(gòu)扭曲，組成原子的化學(xué)性能，電子性能以及磁性能。

　組分中化學(xué)無序性高的新一代合金導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率都明顯比傳統(tǒng)合金低。隨著時(shí)間的推移，它可減緩能量耗散，產(chǎn)生削弱結(jié)構(gòu)材料的缺陷極少。減緩能量耗散可以消除一些局部缺陷，這一現(xiàn)象甚至表明了發(fā)展自愈核結(jié)構(gòu)材料的可能性。

　要了解合金復(fù)雜性如何決定材料的性能仍需進(jìn)一步的研究。目前的知識可能會激發(fā)先進(jìn)能源系統(tǒng)合金的新設(shè)計(jì)原則。張衍文還表示，“這些原子和電子水平上缺陷動力學(xué)的見解為解決結(jié)構(gòu)材料長期以來的挑戰(zhàn)提供了創(chuàng)新道路。”

責(zé)任編輯：班英飛

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