鋯基合金是一種用途廣泛的重要材料，它在很多領域（如核反應中做保護燃料的包殼）中的作用無可替代。但即使是最好的合金，面對高溫，輻射，富氫等環(huán)境時候，仍免不了慢慢失效。但這種情況不久之后便會改變，來自MIT的科研團隊發(fā)現(xiàn)了一種可以大幅度減少氫接觸危害的方法。

　　

　　該團隊主要研究的是常用于核工業(yè)的鋯合金，但他們的研究成果也適用于能源系統(tǒng)和基礎設施中的很多合金。反應器中的冷凍液分解會產生水，這些水分子又會釋放氫進入金屬并與之反應。這些反應會導致延展性的大幅降低，過早開裂等危害。對于核電站來說，保護燃料的包殼非常重要，因此研發(fā)能提高其壽命的方法非常必要。

　　

　　氫原子能否進入金屬的關鍵在于金屬表面氧化膜的性質。在高溫和水條件下，鋯表面會形成保護性的二氧化鋯膜。如果設計合理，那么可以靠這層氧化膜阻止氫元素進入金屬，或者以氣體形式釋放氫。雖然科研人員已經研究氫脆幾十年了，但是主要集中在氫在金屬中的作用、在金屬中如何存在、如何導致脆化這些問題上。對于氫如何進入金屬，或者它是如何穿透表面氧化膜接觸基體、是怎樣以氣體形式被表面膜排出這些問題卻鮮有研究。針對于此該研究團隊認為，如果能夠弄清這些問題，那么可以成千倍地提高膜阻止氫入內的能力。

　　

　　氫在穿入金屬前會先溶解在氧化膜中，而氫的溶解可以通過引入摻雜元素來控制。研究人員發(fā)現(xiàn)氫在氧化膜中的溶解主要取決于摻雜元素將電子引入氧化膜的能力。

　　

　　有的摻雜元素可以讓氫穿透能力最小，有的可以在氧化膜處引入最大量的電子從而讓氫以氣體形式釋放，因此得到最有效保護層的訣竅就是要預知摻雜元素屬于哪種類型。科研人員提出兩條路線：一條是致力于最小化氫的穿透能力，另一條是盡量將氫以氣體形式排出。

　　

　　摻雜元素可以直接在鋯合金基體摻入元素，而合金表面所形成的氧化膜中自然就會存在摻雜元素。并且研究人員強調他們所用的方法是可以用于各種存在氧化膜的合金，這種可以提高使用壽命的方法在多種領域都有極大應用價值。

　　

　　密歇根大學的一位教授認為這項研究可能解決了在正常條件下核反應堆燃料問題的最大挑戰(zhàn)，而且這項重要研究的思路也非常獨特，這是第一次有人從物理方向解釋鋯合金的氫行為。雖然這篇文章并沒有解決這種材料的所有問題，但其研究方法將這個問題的討論推向更高層次，并毫無疑問地將刺激以后在物理基礎上的研究。

 

 

 

 

 

責任編輯：班英飛

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