高性能结构材料，特别是耐高温辐照金属材料，对于核能的发展和应用至关重要。反应堆运行中不可替换的结构材料在高温高剂量辐照等极端环境中长期服役，其性能退化甚至失效往往与辐照引起微观结构演变密切相关，尤其是空洞等典型辐照缺陷的形成。长期以来，设计高抗辐照材料的主流和传统策略是在材料中引进界面，例如，在材料中引入高密度纳米粒子，这些粒子通过其界面区域（通常是氧化物纳米粒子和钢基体之间的错配界面）湮灭辐照缺陷以提高材料抗辐照损伤能力。基于这一策略，研究者近些年取得了很多重要的进展。但是，高温高剂量辐照导致的界面不稳定、辐照缺陷随着辐照剂量的进一步增加而逐渐累积并最终导致材料的失效等，是迄今未突破的瓶颈问题。

近日，北京大学付恩刚教授团队和北京科技大学吕昭平教授团队合作，在国际著名期刊Nature Materials 报道，发现共格纳米粒子湮灭缺陷行为，揭示了其循环溶解再析出的缺陷湮灭机制，提出了一种全新的通过超晶格纳米粒子动态有序-无序转变提高材料抗辐照损伤能力的材料设计策略。

联合研究团队通过在马氏体钢中引入完全共格结构的化学有序Ni(Al,Fe)金属间纳米析出相，在高温（400-600 ℃）辐照下，因其极低的形核势垒和极易发生的短程溶质重排主导的动力学行为，使之快速地进行有序-无序-有序循环动态转变，这种局域相变在溶质和点缺陷长程扩散受到限制的同时，通过增强溶质和缺陷的局域重组，持续高效消除辐照产生的缺陷并使高密度析出相动态稳定，在超高剂量的离子辐照后无空洞肿胀，展现出超高抗辐照肿胀能力。该策略被证实在中熵合金中同样有效，对于开发工程应用新型高耐辐照材料和深入了解辐照机制都极具意义。结合前期研究（Nature, 2017, 544, 460–464，点击阅读详细）表明，共格有序纳米粒子在合金抗辐照损伤、高强韧方面方面均表现出优异的特性。期待这一策略可以进一步应用在其它合金材料体系如高熵合金、钨基合金和其他纳米结构合金。

图文解析

图1. 含高密度Ni(Al,Fe)纳米粒子的超晶格钢在离子辐照条件下的超高耐辐照性能。图b和c比较表明该超晶格钢具有很高的抗辐照肿胀性能。

高温辐照条件下，传统合金材料在辐照开始时辐照损伤累积，此时辐照肿胀较小，一旦辐照损伤超过临界dpa，就会发生快速肿胀，材料的性能也随之迅速退化，而超晶格钢在400 ~ 600 ºC温度范围内表现出超高的抗辐照肿胀性能，未观察到类似传统合金中的辐照肿胀行为。超晶格钢在辐照剂量达到2350 dpa（6 MeV Au离子）后未观察到辐照空洞，而9Cr ODS钢在辐照达到840 dpa后可以观察到高密度的辐照空洞。

图2. 利用HAADF-STEM图和APT三维重构技术确定不同辐照条件下超晶格钢组织演变。

高温辐照前后析出相尺寸、形貌未发生明显变化。相应的原子分辨HAADF-STEM图显示辐照后其有序结构得以保留，同时观察到富Ni区域，结合原子分辨STEM和APT分析可以发现，富Ni区域表现出无序结构，同时在这些富Ni区域内部可以观测到有序纳米粒子。HAADF-STEM图可以观察到辐照引入位错环及与位错环相邻的有序纳米粒子存在，辐照引入的位错被纳米粒子有序-无序转变后修复，EDS分析表明修复后的位错环痕迹富Ni，而Al则均匀分布。

图3. 超晶格钢中有序纳米粒子有序-无序转变随时间演变示意图。

小结

本文的工作在辐照缺陷修复方面另辟蹊径，突破了传统机制，展示了一种通过简单有序的超晶格纳米粒子来增强金属材料抗辐照肿胀能力的策略。纳米粒子与基体之间极小的晶格失配、大的成分容差和高过饱和度设计，使得其在辐照溶解后立即通过短程溶质重排过程快速析出，导致辐照下局部有序-无序-有序转变循环发生。这一动态过程有效地消除了辐照引入的缺陷，所产生的高密度析出物（间距约10 nm）抑制了位错环等辐照缺陷的进一步发展，最终促成优异的抗辐照肿胀性能，并表现出对辐照剂量的弱依赖性。这个研究工作可为将来设计用于核反应堆具有高抗辐照性能的先进结构材料提供了一种全新策略。

相关成果以 “Superior Radiation Tolerance via Reversible Disordering-Ordering Transition of Coherent Superlattice”为题发表在Nature Materials 上。这是国内实验核材料领域和辐照效应领域在Nature Materials 发表的首篇论文，并完全由国内单位和研究人员完成。

北京大学物理学院杜进隆博士、北京科技大学新金属材料国家重点实验室蒋虽合研究员和博士生曹培培为论文共同第一作者，北京大学徐川博士、北京科技大学吴渊研究员和北京大学陈华强博士为论文共同作者，北京大学物理学院付恩刚教授、北京科技大学新金属材料国家重点实验吕昭平教授为论文共同通讯作者。离子辐照实验主要基于北京大学核技术应用实验室2×1.7 MV串列静电加速器进行，该加速器运行至今已有三十多年，可以进行多种离子注入/辐照实验（包括但不限于H、He、C、O、Si、Cu、Fe、Au等多种离子）、卢瑟福背散射分析（RBS）及沟道测量。

国际著名核材料领域专家美国橡树岭国家实验室Yanwen Zhang研究员受Nature Materials 期刊邀请专门在期刊的News & Views专栏在线发表了题为“重组纳米析出抗辐照” (Reassembled Nanoprecipitates Resisting Radiation) 的推介文章 [1]，评价“这项工作不仅鼓励研究人员重新审视依赖非共格或半共格界面来捕获辐照引起点缺陷的策略，而且为领域基础研究发展，以及为设计新一代核反应堆的先进结构材料提供了一个前进的道路”，同时指出：“通过低成本的传统方法就可以制备这些材料，意味着它们在工程应用中具有很强的实用性”。

原文：

Superior radiation tolerance via reversible disordering–ordering transition of coherent superlattices

Jinlong Du, Suihe Jiang, Peipei Cao, Chuan Xu, Yuan Wu, Huaqiang Chen, Engang Fu, Zhaoping Lu

Nat. Mater., 2022, DOI: 10.1038/s41563-022-01260-y

参考文献：

1. Zhang, Y. Reassembled nanoprecipitates resisting radiation. Nat. Mater. (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01283-5