Acta Mater.：具有納米空洞的YSZ / Al2O3多層膜的抗輻射性能研究

【引言】

釔穩定化氧化鋯(YSZ)由于其優異的物理化學性質和輻射損傷耐受性，在核燃料和核廢料的處理上有著廣闊的應用前景。在下一代先進核能系統中，陶瓷涂層有望成為燃料外殼的保護層，減輕高溫腐蝕的危害。然而陶瓷材料具有的脆性嚴重影響其在工程上的使用，故提高YSZ / Al₂O₃多層納米薄膜的力學性能和耐輻射性能具有重要意義。近日，有學者報道了一種新方法，可以有效降低YSZ材料的輻射膨脹和脆化。

【成果簡介】

近日，武漢大學任峰教授(通訊作者)團隊在Acta Mater.上發布了一篇關于釔穩定化氧化鋯(YSZ)材料的文章，題為“Enhanced radiation tolerance of YSZ/Al₂O₃ multilayered nanofilms with pre-existing nanovoids”。

作者設計了一種具有納米空洞的YSZ/Al₂O₃多層膜，納米空洞存在于Al₂O₃層內。利用空洞作為“水池”來收集和儲存輻照引入的氦原子及缺陷。通過高劑量He⁺離子輻照，研究了YSZ/Al₂O₃多層膜的微觀結構和力學性能隨輻照劑量增加的變化。

研究結果表明，與Al₂O₃薄膜和單晶YSZ相比，高劑量(1×10¹⁷ ions/cm²) He⁺離子輻照后，具有納米空洞的YSZ/Al₂O₃多層膜中的氦泡的尺寸和密度均更小，且氦泡被存儲在含有納米空洞的Al₂O₃層內。He氣泡的生長被限制在Al₂O₃層內部可以避免其合并形成更大氣泡。與Al₂O₃薄膜和單晶YSZ中觀察到的輻照硬化不同的是，經高劑量的He⁺離子輻照后，YSZ/Al₂O₃多層膜呈現出輻照軟化現象，且YSZ/Al₂O₃多層膜的硬度與楊氏模量之比（H/E）隨輻照劑量的增加而增加。作者提出了一種缺陷在界面處的“加載-卸載”機制來解釋空洞對YSZ/Al₂O₃多層膜抗輻照性能增強的作用。

【圖片導讀】

圖1?He濃度與輻照損傷（dpa）隨深度分布的SRIM模擬結果?

經30KeV、離子通量為1×10¹⁷ions/cm²的He ⁺離子輻射后，樣品中He的濃度分布與輻射損傷的SRIM模擬結果。

圖2 Al₂O₃單片薄膜和單晶YSZ輻照前后截面的TEM圖像

(a-b) 離子輻射前后Al₂O₃單片薄膜的TEM圖像；

(c-d) 離子輻射前后單晶YSZ的TEM圖像;

圖3 不同周期厚度的具有納米空洞的YSZ/Al₂O₃多層膜的TEM圖像

(a) YSZ/Al₂O₃-5的截面TEM圖；

(b) YSZ/Al₂O₃-19的截面TEM圖。

圖4?經不同劑量He⁺離子輻照后YSZ/Al₂O₃多層膜的TEM圖像

(a-c) 劑量分別為2×10¹⁶，5×10¹⁶ and 1×10¹⁷ ions/cm²的He⁺輻照后的YSZ/Al₂O₃-5的截面TEM圖；

(b-e) 劑量分別為2×10¹⁶，5×10¹⁶ and 1×10¹⁷ ions/cm²的He⁺輻照后的YSZ/Al₂O₃-19的截面TEM圖。

圖5 不同劑量He⁺輻照后樣品的硬度與楊氏模量隨深度分布曲線

(a、c) YSZ/Al₂O₃-5；

(b、d) YSZ/Al₂O₃-19。

圖6 不同劑量He⁺輻照后樣品的硬度與原始樣品硬度的比值以及樣品的硬度與楊氏模量的比值

(a) 輻照后樣品的硬度與原始樣品的硬度之比(Hirr / Hunirr)；

(b) 硬度與楊氏模量之比（H/E）。

圖7 空洞對缺陷-界面相互作用的影響的示意圖

(a) 無空洞的YSZ / Al₂O₃ 多層膜中的He氣泡在YSZ/Al₂O₃界面中形成；

(b) 具有空洞的YSZ / Al₂O₃ 多層膜中He氣泡在納米空洞中形成。

【小結】

這篇文章介紹了在Al₂O₃層中引入納米空洞來提高YSZ/Al₂O₃多層膜的抗輻照性能。通過TEM和納米壓痕測試，研究了納米空洞對不同周期厚度的YSZ/Al₂O₃多層膜的抗輻照性能的影響。結果表明，納米空洞對YSZ/Al₂O₃多層膜抗輻照性能的影響可以用缺陷在界面處的“加載-卸載”機制來解釋。納米空洞通過缺陷-界面的相互作用從YSZ層吸收He原子，它作為“水池”來收集和儲存，從而抑制氣泡的合并生長。此外，隨輻照劑量的增加，YSZ/Al₂O₃多層膜中觀察到輻照軟化現象。這一現象產生的主要是由于界面與Al₂O₃層中的大He泡的相互作用，大He泡在這一過程中作為位錯源。

【團隊介紹】

任峰，武漢大學物理科學與技術學院教授，博士生導師，國家自然科學基金委優秀青年基金獲得者，教育部新世紀人才計劃入選者。2006年獲得武漢大學理學博士學位。2008年至2010年先后在美國UC, Berkeley/Lawrence Berkeley國家實驗室和Los Alamos國家實驗室從事博士后和客座研究。
任峰教授長期從事離子束與固體相互作用及其離子束技術在能源材料領域的應用研究工作。至今以第一作者或通訊作者在Physical Review Letters，Acta Materialia, Nuclear Fusion，Applied Physics Letters，Journal of Materials Chemistry A，ACS Applied Materials & Interfaces，Nanoscale，Journal of Nuclear Materials等期刊上發表SCI論文46篇。

文獻鏈接 ：Enhanced radiation tolerance of YSZ/Al₂O₃ multilayered nanofilms with pre-existing nanovoids (Acta Mater., 8 November, 2017 , DOI: 10.1016/j.actamat.2017.11.018）

本文由材料人編輯部金屬學術組jcfxs01供稿，材料牛編輯整理。

材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部大家庭。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

投稿以及內容合作可加編輯微信：RDD-2011-CHERISH，任丹丹，我們會邀請各位老師加入專家群。

材料測試、數據分析，上測試谷！