圖 1. 沉積狀態(tài)下設(shè)計(jì)材料的離子束分析。分別使用沉積態(tài) HEC（A 和 B）和 HEA（C 和 D）樣品獲得的 EBS/RBS 光譜和 PIXE擬合。

圖 2. 設(shè)計(jì)材料在沉積狀態(tài)下的晶體學(xué)分析和微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。圖 A 中的繪圖顯示了 HEC、HEA 和 AISI-316L（底物）的 GI 衍射圖。B 和 C 中的 Pawley 精修分析表明 HEC 具有 B1 (NaCl) 晶體結(jié)構(gòu)，而 HEA 具有 A2 (BCC) 晶體結(jié)構(gòu)。在圖 B（對(duì)于 HEC）和 C（對(duì)于 HEA）中，黑色曲線代表模擬模式，紅色曲線代表觀察數(shù)據(jù)，藍(lán)色曲線代表觀察曲線和模擬曲線之間的差異。使用的結(jié)構(gòu)模型的峰值位置由模擬/觀察曲線下方的藍(lán)色垂直條標(biāo)記。計(jì)算的晶格參數(shù)如表 2 所示。D 和 E 中的 DFTEM 顯微照片分別顯示了原始 HEC 和 HEA 的納米級(jí)微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)。HEC表現(xiàn)出具有柱狀排列趨勢(shì)的等軸狀納米晶微觀結(jié)構(gòu)，而HEA具有純納米晶尺寸的柱狀微觀結(jié)構(gòu)。

圖 3. 原位 TEM 重離子輻照下的顯微結(jié)構(gòu)演變。從 A 到 D 和從 E 到 H 的 BFTEM 顯微照片分別顯示了 HEC 和 HEA 在輻射下的微觀結(jié)構(gòu)演變，劑量高達(dá) 10 dpa。

圖 4. 輻照后的 Xe 保留。BFTEM 顯微照片 A 和 C 顯示了兩種設(shè)計(jì)材料的沉積微觀結(jié)構(gòu)。B和D中聚焦不足的BFTEM顯微照片顯示了10 dpa時(shí)微結(jié)構(gòu)內(nèi)的Xe氣泡。E 和 F 中的直方圖分別量化了 HEC 和HEA 中 10 dpa 后觀察到的 Xe 氣泡的平均大小。

圖 5. 照射后的形態(tài)學(xué)變化。A 和 C 中的彩色 DFTEM 顯微照片以及 B 和 D 中的 SAED 圖案分別顯示了 HEC 的微觀結(jié)構(gòu)及其在照射前后的相應(yīng)衍射圖案。在 10 dpa 后，HEC 輻照前后的平均晶粒尺寸估計(jì)為 9.8 ± 0.9 和 14.9 ± 0.8 nm。E 和G 中的彩色 DFTEM 顯微照片以及 F 和 H 中的 SAED 圖案分別展示了照射前后 HEA 的微觀結(jié)構(gòu)。

圖 6. 微觀結(jié)構(gòu)分析研究。從 A 到 M 和從 N 到 Y 的一組 STEM-EDX 元素圖分別展示了 HEC 和 HEA 在高達(dá) 10 dpa 的輻照前后的微觀結(jié)構(gòu)。由于重離子輻照，HEC 和HEA 既沒有遭受輻射誘導(dǎo)的偏析，也沒有發(fā)生相變。一組 HAADF 和 BFSTEM 顯微照片 AA 和 AC、AB 和 AD 分別顯示了襯底/薄膜系統(tǒng)在輻照前后的一般情況。

圖 7. 計(jì)算結(jié)果。BCC (A) 中 HEA 和巖鹽中HEC (RS) (B) 隨機(jī)配置的形成能，HEA (C) 和HEC (D) 中單個(gè)空位的形成能，單個(gè)空位對(duì) HEA 物種位點(diǎn)的貢獻(xiàn)(E) 和 HEC (F)。

如本文所示，高熵材料在不久的將來展現(xiàn)出巨大的功能化和商業(yè)化潛力。研究了一種新型高熵碳化物及其高熵合金對(duì)應(yīng)物（本文定義為 HEC 和 HEA），考慮到它們?cè)跇O端環(huán)境中的應(yīng)用，特別是在高能粒子輻射是主要退化機(jī)制的情況下。重離子與原位 TEM 的方法已首次用于評(píng)估這種新型 HEC 的輻照響應(yīng)。面對(duì)傳統(tǒng)陶瓷材料在輻照下的可用文獻(xiàn)，HEC 和 HEA 都沒有顯示出任何由于原子碰撞其微觀結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致的局部化學(xué)不穩(wěn)定性（例如 RIS 和 RIP）。令人驚訝的是，在與輕水反應(yīng)堆相關(guān)的溫度下，高達(dá) 10 dpa 的 HEC 沒有發(fā)生非晶化。兩種材料均觀察到輻照誘導(dǎo)的晶粒生長(zhǎng)，HEC 表現(xiàn)出（在統(tǒng)計(jì)誤差范圍內(nèi)）優(yōu)于 HEA 的性能。觀察到 Xe 氣泡在兩種材料中成核和生長(zhǎng)，但發(fā)現(xiàn)它們?cè)?10 dpa 時(shí)的最終尺寸比在輻照下觀察到的常規(guī)核燃料陶瓷材料小得多。這些結(jié)果表明 HEC 的輻射耐受性略高于 HEA。DFT 計(jì)算證實(shí)了本文提出的發(fā)現(xiàn)。通過優(yōu)于現(xiàn)有陶瓷材料，可以得出結(jié)論，HEC 具有在極端環(huán)境下進(jìn)一步研究的巨大潛力。基于 HEC 概念制造新型核燃料材料的可能性可能會(huì)很快通過部署具有增強(qiáng)的抗輻射性和增強(qiáng)的裂變氣體保留的新材料來徹底改變這一領(lǐng)域。

 8/8   首頁 上一頁 6 7 8