以能源部橡樹嶺國家實驗室為首的能源前沿研究中心的研究人員表明，可以通過改變材料的化學復雜性改變能量的耗散和缺陷的演化，從而制造出抗輻射材料。研究結果表明，提高合金的復雜性，產生的缺陷較少且較小。
 

　　該圖為復雜合金的電子狀態圖；被標記部分的曲線表明電導率和熱導率有所降低。
圖片為美國能源部橡樹嶺國家實驗室的G. Malcolm Stocks所拍攝。

　設計能夠承受極端環境的合金對材料學家來說是一個重要挑戰。輻射會誘使合金產生缺陷，因此，以能源部橡樹嶺國家實驗室為首的能源前沿研究中心的研究人員正在研究如何設計出在輻射條件下產生缺陷較小的結構材料。關鍵是，他們在Nature Communications中指出正在研究由四種不同金屬元素等量制成的合金的復雜性。

　“化學的復雜性使我們能夠改變能量的耗散和缺陷的演化，”第一作者張衍文（音譯）說，他領導著美國科學能源辦公室資助的被稱為“能量耗散到缺陷演化”（EDDE）的能源前沿研究中心。該研究中心逐步發展，在近15個月來匯集了二十多個有著實驗和建模專業知識的研究人員。EDDE在橡樹嶺、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室、密歇根大學、威斯康星大學麥迪遜分校和田納西州諾克斯維爾大學都有合作伙伴。

　輻射會損害航天器、核電廠和高能加速器。核反應產生的高能粒子——離子和中子——會在擴散能量的過程中損壞材料，從而隨著時間的推移形成缺陷。目前核反應堆提供了美國五分之一的電力，因此能夠承受輻射的先進結構材料是國家使用核反應堆的重要需求。新一代反應堆將有望使用壽命更長，抗輻射水平更高。

　在反應堆中，一個高能粒子帶動成千上萬的原子運動，使它們脫離晶體晶格中的原有位置。隨著能量的耗散，大多數流離失所的原子會返回其原有晶格位置，但是有些則沒有。輻射就是以這種方式破壞原子有序排列在晶格中的結構材料的，甚至會改變其結晶性能。

　在典型的輕水反應堆中，其結構組分的所有原子平均被移動20次，累積損傷可能會影響到材料的性能。為了準備新的反應堆概念，科學家們將不得不設計出能夠承受原子移動超過200次的新一代核材料。

　金屬合金通常包括一種或兩種主導元素形成的多種相，這些元素通過加入其它次要元素而改性，但是最近一種特殊的材料激起了研究人員極大的興趣。以包含五種甚至更多種元素的高熵合金為例，在這些特殊的合金中，幾種不同類型的原子以相等的比率隨機分布在一個簡單的晶格中。事實上，伯克利分校和橡樹嶺實驗室的研究人員最近表明，這些大約十年前發現的合金中，有些在低溫下表現出超強的強度和延展性。在所有這些合金中，化學上的無序性直接導致其性能的變化。

　EDDE研究的目標是確定組分的復雜性如何引起導熱性和導電性差異，從而影響初期缺陷動力學的，而缺陷動力學在稍后階段又影響結構材料的魯棒性。研究結果表明了先進合金是如何通過化學無序性大大增強其輻射性能的。

　該研究調查了一組含有鎳和其它一至三種等量元素的合金小說。這些合金包括鎳-鈷，鎳-鉻-鈷和鎳-鉻-鐵-鈷。這些化學元素隨機分布在晶格中，形成了獨特的點到點模式，雖然微觀上有些扭曲，但其晶格仍然保留了宏觀的晶體結構。

　科學家們結合理論和實驗制造了無與倫比的優質合金的晶體。然后他們計算了電子結構的變化和化學無序性導致的固有傳輸性，并確認計算結果與每個晶體的電阻率和導熱性的實驗測量相符。通過整合離子輻射的結果，缺陷的模擬，離子束分析以及微觀結構特征，他們表明在這些合金中缺陷的產生和損傷的累積明顯減少。調查結果表明緩慢的能量消耗和抑制的缺陷演化之間存在著一定的聯系。

　“從純鎳到二元合金再到更復雜的四元合金，我們觀察到抑制的損傷隨著化學無序性的增加而累積。”張說。

　材料的電子能帶結構決定了電子如何導電和導熱。在一般的金屬中，能量迅速消散因為電子幾乎不發生散射——當高能粒子擊中晶體完美的原子排列時，產生的能量波是無障礙物并且可以迅速地傳播，只在撞擊部位留下很少的能量。然而，在多組分無序合金晶體中原子無序排列，當高能粒子擊中晶格原子時，產生的能量遇到障礙物并較長時間地保留在那里。

　EDDE研究表明，提高合金的復雜性會產生較少和較小的缺陷。它還表明性能的顯著改善與抗輻射損傷有關。

　事實證明，只增加組成元素的數量（從而增加其無序性或者熵）未必會形成最好的具有特定功能的合金。而確定哪種組合效果最好取決于很多方面，如結構扭曲，組成原子的化學性能，電子性能以及磁性能。

　組分中化學無序性高的新一代合金導電率和導熱率都明顯比傳統合金低。隨著時間的推移，它可減緩能量耗散，產生削弱結構材料的缺陷極少。減緩能量耗散可以消除一些局部缺陷，這一現象甚至表明了發展自愈核結構材料的可能性。

　要了解合金復雜性如何決定材料的性能仍需進一步的研究。目前的知識可能會激發先進能源系統合金的新設計原則。張衍文還表示，“這些原子和電子水平上缺陷動力學的見解為解決結構材料長期以來的挑戰提供了創新道路。”

責任編輯：班英飛

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