導(dǎo)讀：鎢在極端溫度和輻射環(huán)境中顯示出高強(qiáng)度，被認(rèn)為是聚變核反應(yīng)堆的有前途的面向等離子體的材料。與其他金屬不同，它經(jīng)歷了大量的輻照硬化，從而限制了使用壽命并存在安全問(wèn)題。近日，西安交通大學(xué)材料學(xué)院微納中心韓衛(wèi)忠教授課題組系統(tǒng)研究了高溫氦離子輻照鎢的強(qiáng)化機(jī)理。在這里，我們證明輻照導(dǎo)致強(qiáng)度增加近 3 倍，而產(chǎn)生的常見(jiàn)缺陷僅貢獻(xiàn)不到三分之一的硬化。對(duì)標(biāo)記原子 - 氦離子分布的分析表明，超過(guò) 87% 的空位和氦原子下落不明。由于高空位遷移能，大部分氦-空位配合物被凍結(jié)在晶格中。

聚變承諾為人類(lèi)提供無(wú)限的能量。然而，不幸的是，14.1 MeV 聚變中子會(huì)激活許多核素（例如 Ni），并且還會(huì)在材料內(nèi)部留下氦 (He)。低活化元素，如鎢 (W)、釩和鐵，正成為最有前途的結(jié)構(gòu)金屬元素。然而，這類(lèi)金屬具有體心立方 (BCC) 晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)暴露于輻射時(shí)，其屈服強(qiáng)度往往會(huì)顯著增加。這種被稱(chēng)為輻射硬化的現(xiàn)象在 BCC 金屬中比在面心立方 (FCC) 和六方密堆積金屬 (HCP) 中嚴(yán)重?cái)?shù)倍。 更重要的是，這種超高輻射硬化 (UIH) 在 BCC 金屬中無(wú)處不在并且無(wú)法根據(jù)觀(guān)察到的納米級(jí)輻照缺陷（即氣泡、空隙或位錯(cuò)環(huán)）進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。大多數(shù)硬化理論都基于對(duì)這些輻射引起的缺陷的密度和尺寸的了解，然而，通過(guò)僅考慮那些可見(jiàn)缺陷，其中一些導(dǎo)致的預(yù)測(cè)遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的硬化。

鎢是一種典型的難熔金屬，由于其熔化溫度高、濺射產(chǎn)額低和蒸發(fā)系數(shù)小，被認(rèn)為是聚變核反應(yīng)堆中面向等離子體的材料的理想候選材料。在聚變反應(yīng)堆運(yùn)行期間，W 暴露于高通量中子輻射、輕離子等離子體轟擊和高熱通量。輕離子被注入到 W 中，并傾向于與輻射引起的空位結(jié)合形成氣泡。像其他 BCC 金屬一樣，W 表現(xiàn)出 UIH，其中所有傳統(tǒng)模型估計(jì)都證明遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)觀(guān)察到的硬化。W 中的 UIH 進(jìn)一步降低了這種已經(jīng)很脆的材料的韌性和延展性。BCC 金屬中的 UIH 被認(rèn)為與異常大量的點(diǎn)缺陷有關(guān)，這些點(diǎn)缺陷在輻照過(guò)程中產(chǎn)生，但在當(dāng)前的顯微鏡技術(shù)中是不可見(jiàn)的。

在這里，西安交通大學(xué)材料學(xué)院微納中心韓衛(wèi)忠教授課題組研究了注入 He 的單晶 W 中的輻照硬化。He 離子被用作標(biāo)記原子來(lái)跟蹤輻照誘導(dǎo)的點(diǎn)缺陷的分布。我們結(jié)合納米力學(xué)測(cè)試、透射電子顯微鏡和分子動(dòng)力學(xué) (MD) 模擬來(lái)揭示輻照硬化的機(jī)制。原位測(cè)試表明，氦離子輻照后，鎢的屈服強(qiáng)度提高了兩倍。鎢的超高輻照硬化的起源不能用傳統(tǒng)的強(qiáng)化理論很好地解釋。相關(guān)工作以“Atomic-Scale Hidden Point-Defect Complexes Induce Ultrahigh-Irradiation Hardening in Tungsten”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊 Nano Letters 。西安交通大學(xué)材料學(xué)院碩士生鄭若瑤為論文第一作者，韓衛(wèi)忠教授為論文通訊作者，合作者包括加州大學(xué)圣巴巴拉分校Irene Beyerlein教授和Wu-Rong Jian博士。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（優(yōu)青、面上）等項(xiàng)目的共同資助。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c01637

圖1a 顯示了具有不同 He 濃度和輻射損傷水平的 W 單晶的典型壓應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線(xiàn)，范圍從 0 到 20 at。%。作為參考，我們觀(guān)察了純 W 柱 W-0（無(wú) He）的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)，它在大約 2.1 GPa 的應(yīng)力水平下屈服，并表現(xiàn)出不均勻變形的經(jīng)典跡象。其屈服后的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)具有頻繁的應(yīng)變爆發(fā)，如圖所示。這些爆發(fā)與晶體表面上急劇滑移臺(tái)階的形成有關(guān)。隨著 He 濃度增加到 0.7 at，輻照 W 的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)具有越來(lái)越高的屈服強(qiáng)度。% (W-0.7), 1.9 at. % (W-1.9)，高達(dá) 9 at。% (W-9)。W-9 和 W-20 (20 at. %) 的屈服強(qiáng)度相似，達(dá)到純 W-0 的 2.7 倍。輻照材料響應(yīng)顯示出穩(wěn)定的變形，沒(méi)有不穩(wěn)定的應(yīng)變爆發(fā)。中的插圖圖1a (II) 進(jìn)一步顯示了均勻變形。受輻照的柱子也經(jīng)歷了顯著的應(yīng)變硬化

圖1 鎢的超高輻照硬化

圖2 大量不可見(jiàn)點(diǎn)缺陷復(fù)合體造成了鎢的超高輻照硬化

圖3。(a)純W中位錯(cuò)在應(yīng)變作用下在表面快速移動(dòng)并消失。(b)位錯(cuò)緩慢退出并被輻射缺陷捕獲。(c)位錯(cuò)密度和長(zhǎng)度隨應(yīng)變?cè)黾拥难莼?d)純W和W-20中位錯(cuò)滑移速度和曲率的比較。

圖4。因緊張而脫臼的鞠躬。(a)純W在應(yīng)變作用下產(chǎn)生的直螺位錯(cuò)。(b)位錯(cuò)被隱藏的輻射缺陷所阻擋，在W-20中形成弓形結(jié)構(gòu)。這種行為表明，在這種情況下，邊緣位錯(cuò)和螺釘位錯(cuò)的流動(dòng)性是相當(dāng)?shù)?/span>