發(fā)展核能是實(shí)現(xiàn)中國(guó)碳中和目標(biāo)的主要方法之一，而2011年的福島核事故證明冷卻劑泄露事故（LOCA）嚴(yán)重威脅核電安全，其原因在于結(jié)構(gòu)材料腐蝕、氧化產(chǎn)氫帶來(lái)巨大安全隱患?，F(xiàn)有研究提出燃料組件結(jié)構(gòu)材料表面涂層保護(hù)技術(shù)，以避免傳統(tǒng)燃料組件材料氧化產(chǎn)氫帶來(lái)的核燃料泄露威脅。金屬氮化物涂層（例如TiN, CrN）具有出色的熱穩(wěn)定性和良好耐腐蝕性被認(rèn)為是保護(hù)涂層，其中最關(guān)鍵的抗輻照性能則有待進(jìn)一步加強(qiáng)以保證防護(hù)涂層的耐候性?，F(xiàn)有增強(qiáng)材料抗輻照性能主要思路在于提升材料內(nèi)部界面密度，以界面作為尾閭，促進(jìn)輻照所產(chǎn)生缺陷之間復(fù)合與湮滅，其內(nèi)在機(jī)制則是界面無(wú)序原子在輻照過(guò)程中形成“吸引-釋放間隙原子”，其促進(jìn)效果與界面特征相關(guān)。

對(duì)于結(jié)構(gòu)材料抗輻照性能強(qiáng)化技術(shù)路徑則主要有細(xì)晶強(qiáng)化增加晶界與第二相強(qiáng)化增加相界面兩種，涂層材料抗輻照性能提升策略則包含細(xì)晶強(qiáng)化、多層復(fù)合以及晶體內(nèi)部空位設(shè)計(jì)，而細(xì)晶強(qiáng)化使得整體自由能升高，使得材料熱穩(wěn)定性與輻照穩(wěn)定性在一定范圍出現(xiàn)明顯下降，晶體內(nèi)部空位設(shè)計(jì)則會(huì)犧牲材料力學(xué)性能，因而多層復(fù)合結(jié)構(gòu)在能有效強(qiáng)化涂層力學(xué)性能，同時(shí)界面可有效阻礙腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散，因而對(duì)于抗輻照性能強(qiáng)化具有良好的提升效果。此外，多層結(jié)構(gòu)中可形成層間材料外延生長(zhǎng)，生成新界面。

在之前的研究中，納米復(fù)合結(jié)構(gòu)TiSiN涂層的納米晶-非晶界面被證明具有顯著的抗輻照性能提升效果，基于以上理論與前期研究結(jié)果，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)萬(wàn)強(qiáng)副教授與武漢大學(xué)楊兵教授采用多弧離子鍍技術(shù)制備CrN/TiSiN納米復(fù)合多層涂層，調(diào)整工藝，通過(guò)分層結(jié)構(gòu)與外延生長(zhǎng)，設(shè)計(jì)出層界面與共格界面共同構(gòu)筑的3維界面網(wǎng)絡(luò)，對(duì)涂層進(jìn)行He+輻照，表征涂層結(jié)構(gòu)與硬度變化，驗(yàn)證層界面在吸收缺陷、阻礙涂層非晶化的作用，同時(shí)提出3維界面網(wǎng)絡(luò)有效促進(jìn)輻照所產(chǎn)生氦泡的擴(kuò)散的策略。相關(guān)研究成果以題“Enhancing irradiation tolerance via building 3D diffusion paths for He+ in multilayers by epitaxial growth”發(fā)表在《Materials & Design》上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127522006426

圖1 -70 V 偏壓制備的CrN/Ti75Si25N納米復(fù)合多層涂層截面TEM結(jié)構(gòu)與元素分布

圖2 -70 V 偏壓制備的CrN/Ti75Si25N納米復(fù)合多層涂層顯微結(jié)構(gòu)

所制備CrN/ TiSiN涂層為納米復(fù)合多層結(jié)構(gòu)，其中TiSiN涂層較薄，而CrN涂層生長(zhǎng)快單層較厚，層周期為16 nm左右，TiSiN為納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，CrN與TiN均為納米晶，同時(shí)成功在層間通過(guò)外延生長(zhǎng)形成所設(shè)計(jì)的共格界面，與層界面一起構(gòu)筑3維界面網(wǎng)絡(luò)。

圖3 輻照前后涂層硬度及其變化比例

輻照使得涂層硬度出現(xiàn)變化，其中高偏壓下涂層硬度均出現(xiàn)下降趨勢(shì)而低偏壓下涂層硬度升高，偏壓增大能有效降低涂層輻照后的硬度變化比例，但其影響并非單純線(xiàn)性關(guān)系，150V下，涂層展現(xiàn)出最小硬度變化，約為7%。可見(jiàn)，晶粒細(xì)化對(duì)于抗輻照性能強(qiáng)化存在臨界效應(yīng)。

圖4 CrN/ TiSiN涂層輻照后結(jié)構(gòu)損傷

圖5 M4損傷層的HAADF分析

在輻照后涂層表面出現(xiàn)明顯非晶層，非晶化會(huì)導(dǎo)致涂層硬度下降，非晶層深度在不同涂層中并不相同，其中在高Si樣品中，涂層非晶層厚度隨偏壓升高而逐漸增大，高偏壓下制備樣品則在Si含量升高之后，非晶層厚度逐步減小；HAADF的mapping分析表明，這一非晶層主要集中于CrN涂層，而TiSiN涂層相對(duì)完整，非晶化的CrN涂層出現(xiàn)明顯的晶體分解現(xiàn)象，使得層間界面在互擴(kuò)散下消失，導(dǎo)致硬度進(jìn)一步下降。

圖 6 輻照后不同涂層氦泡分布顯微顯微分析

涂層層間界面出現(xiàn)大量氦泡，明顯的長(zhǎng)大現(xiàn)象，氦泡長(zhǎng)大聚集之后，在層界面形成線(xiàn)分布模式，從而在層界面觀察到大量的氦泡線(xiàn)排列，導(dǎo)致涂層出現(xiàn)硬化現(xiàn)象。涂層內(nèi)部垂直與涂層界面方向也有部分的線(xiàn)排列氦泡，這些垂直方向界面為多層涂層共格生長(zhǎng)界面（CI），這些界面可有效吸收He+，從而降低氦泡在層界面聚集，減少多層涂層的脆化傾向。CI界面附近發(fā)現(xiàn)一些無(wú)氦泡區(qū)域，這些區(qū)域?yàn)閷咏缑媾cCI界面周?chē)?，再次?yàn)證CI界面可有效傳導(dǎo)He+，當(dāng)CI界面延伸至表面，則可減少內(nèi)部He濃度，降低輻照失效風(fēng)險(xiǎn)。

圖7 3維界面網(wǎng)絡(luò)對(duì)于涂層氦泡擴(kuò)散以及輻照力學(xué)性能變化的影響機(jī)制示意圖

由層界面與共格界面所構(gòu)成的三維界面可有效的實(shí)現(xiàn)涂層抗輻照性能提升，其中層界面能有效吸收缺陷，降低輻照非晶化傾向，而共格界面有效提升氦泡擴(kuò)散，降低涂層腫脹與脆化風(fēng)險(xiǎn)。