導(dǎo)讀：本研究基于實驗設(shè)計與理論模擬相結(jié)合，驗證了構(gòu)造多級特征結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)高性能材料的有效策略，同時利用特殊界面調(diào)控氦泡生長的動力學(xué)過程，最終使銅鈮復(fù)合材料具有優(yōu)異的機械、超導(dǎo)和抗輻照性能，并有望應(yīng)用于核聚變領(lǐng)域。

鈮（Nb）基合金是一種廣泛用于制備加速器及未來聚變堆的超導(dǎo)體材料。由于以超導(dǎo)帶材為形式制作的磁體線圈需要經(jīng)歷繞制工藝，并在服役過程中承受巨大的洛倫茲力，以及易在晶界/相界（GBs/PBs）中累積核反應(yīng)產(chǎn)物氦（He）。因此，應(yīng)用于聚變領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)功能材料需具備較高強度、較好塑性及優(yōu)異的抗輻照損傷性能。

近日中科院合肥研究院固體物理所與美國麻省理工學(xué)院等合作，在聚變堆超導(dǎo)帶材的設(shè)計及其抗氦輻照損傷研究方面取得進展。科研人員采用了一種改進的累積疊軋焊接技術(shù)（coded-ARB），通過“編碼”二元組分的尺度分布，制備出一種具有多級特征結(jié)構(gòu)并滿足上述性能要求的鈮基納米疊層材料。該研究以“Superconducting Cu/Nb nanolaminate by coded accumulative roll bonding and its helium damage characteristics”為題，發(fā)表在金屬材料頂級期刊《Acta Materialia》上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420305371

操縱微觀結(jié)構(gòu)的特征尺度是一種用于優(yōu)化材料性能的設(shè)計策略。本論文研究發(fā)現(xiàn)，通過實現(xiàn)類似“條形碼”形貌的雙相分層結(jié)構(gòu)可以有效的調(diào)控箔材在軋制過程中的局部應(yīng)力分布，將部分剪切力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，延緩材料開裂，增加等效應(yīng)變。其中，高密度的納米級銅層抑制位錯運動，通過防止裂紋在鈮基體層間的拓展，進而提高納米疊層材料的強度和韌性，并增強了納米級鈮層的抗氧化能力。同時控制加工過程中材料內(nèi)部應(yīng)力場的變化構(gòu)建出不同的界面類型，即通過不斷累積的失配位錯與界面發(fā)生相互作用，利用“位錯泵”效應(yīng)加速銅與鈮原子之間的固溶，形成化學(xué)混合區(qū)域。并隨著塑性應(yīng)變的積累，晶格缺陷密度的增大，界面演變?yōu)榫哂腥S尺度的非晶無序結(jié)構(gòu)。

圖1. 具有多級特征結(jié)構(gòu)的鈮基納米疊層材料的制備工藝過程。

圖2. 鈮基納米疊層材料中的多級特征結(jié)構(gòu)形貌——（a，b）“條形碼”狀分布的Cu/Nb二元疊層結(jié)構(gòu)，（c）化學(xué)混合態(tài)與（d）非晶無序態(tài)的Cu/Nb界面結(jié)構(gòu)。

圖3. （a）傳統(tǒng)疊軋焊接及（b，c）“編碼”軋制過程中多尺度銅鈮疊層材料的應(yīng)力場演化，（d，e）不同類型界面附近的位錯分布。

研究人員通過氦離子輻照實驗及分子動力學(xué)模擬分析得出，由于氦在界面的擴散系數(shù)較高，氦間隙更易在有序的二維（2D）相界面聚集為氦泡，并降低材料的力學(xué)性能。相反，化學(xué)混合和非晶結(jié)構(gòu)構(gòu)建的三維界面（3D）因含有較多的自由空間，能夠提供豐富的氦泡形核位點，從而有效的抑制氦團簇長大，使得納米多層復(fù)合材料具有更好的抗氦輻照能力。

圖4. （a-f）分子動力學(xué)模擬三種不同界面中氦的演化過程以及（g）氦濃度和氦團簇尺度分布統(tǒng)計，（h-j）氦離子輻照后不同界面的微觀結(jié)構(gòu)及氦泡形貌。

針對材料的超導(dǎo)性能，研究證明軋制態(tài)的多尺度銅鈮疊層材料因化學(xué)摻雜的界面結(jié)構(gòu)增強了對磁通線的釘扎效應(yīng)，這一趨勢在較高磁場下更為明顯。但退火態(tài)的銅鈮材料因?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)失穩(wěn)，界面散射增加，其超導(dǎo)性能則被抑制。綜上所述，此類復(fù)合材料獲得了與純鈮相似的超導(dǎo)電流負(fù)載能力。

圖5.（a）不同特征尺度的鈮基納米疊層材料力學(xué)性能及（b）不同狀態(tài)鈮基疊層材料超導(dǎo)金茲堡－朗道方程擬合對比。