碳納米管可提高輻射環境下金屬的壽命

材料牛注：普通材料暴露在核輻射環境中，將會千瘡百孔，使材料變脆、失效，影響核反應堆的持久運行。來自麻省理工學院的研究人員通過在材料中加入微量碳納米管，使應用在核輻射周圍的材料脆化率降低5~10倍，這對核材料科學的發展意義深遠！

（Nanowerk?News）金屬暴露在核反應堆強輻射環境周圍時，其孔隙將會增多，而且也會變脆，隨著時間的推移，將會導致核反應堆開裂和失效，這是限制核反應堆運行壽命的一個主要原因。目前，來自麻省理工學院（MIT）和其他研究機構的研究人員發現，在金屬中添加微量碳納米管，可以大幅延緩金屬的失效，這種現象至少在一些反應堆中得到了驗證。

到目前為止，該方法僅在金屬鋁中證明是有效的，這就限制了其在低溫反應堆中的應用。但是，該研究團隊表示，該方法也許可以用在采用高溫合金的商業化反應堆中。

當前，鋁不僅被用在核反應堆組件的研究上，而且它在核電池和航天器研究方面也備受關注，此外，它已經被提議用來作為核廢料的存儲器。因此，改善鋁的服役壽命具有深遠的意義。

長期穩定性

研究人員將碳納米管均勻地分布在金屬中，研究人員Kang?Pyo?So表示，這種設計是為了緩解核輻射對材料所帶來的毀壞，從而確保材料性能在不發生衰退的情況下長時間服役。

核輻射會使空氣發生電離，所產生的氮離子可以占據金屬內部間隙，通過離子之間的結合形成氮氣分子，這些氮氣分子沿材料晶界間隙形成很多的微氣孔，從而致使材料變得越來越脆。盡管納米管在材料中僅占不到2%的體積分數，但是它們可以形成一個一維的傳輸網，這為氮離子外排提供了一個路徑，而不是讓其滯留在金屬中繼續毀壞材料。

測試表明，在輻射環境中暴露一段時間后，金屬中的碳納米管將會通過化學反應轉變為碳化物，但是它們仍然保存著細長的形狀，就像昆蟲被困在琥珀中那樣。令人詫異的是，你看不到它們的聚團，它們仍然保持著原有的一維形貌。這種一維納米結構龐大的界面總面積，為輻射誘導點缺陷的重組提供了路徑，緩解了材料的脆化。研究人員演示了一維結構可以抵抗70DPA的輻射破壞（DPA是一個單位，它是指晶格上的原子被粒子轟擊離開原始位置的次數與晶格上的原子數量之比）。

研究人員Ju?Li說道，在輻射照射后，我們在對照試樣上可以看到氣孔，但是，在所設計的新材中，我們是看不到氣孔的，機械性能數據也顯示新材料韌性較好。對給定數量的輻射照射試樣進行測試，結果顯示，材料發生脆性的數量降低了5~10倍。

該研究團隊表示，這種新材料僅需要加入大約1%重量比的碳納米管，其生產、加工成本一點也不貴。這種復合材料可以通過低成本的普通工業方法進行加工，這在韓國汽車工業已經被成噸的生產。

強度和韌性

即使在不進行輻射照射的條件下，在材料中添加少量納米管，可以將材料的強度提高50%，同時，也可以改善材料的延伸率（延伸率指材料在不發生斷裂的情況下所能承受變形的能力）。

Kang?Pyo?So說道，目前采用鋁作為原理驗證，后期，研究團隊將使用鋯做類似的測試（鋯被廣泛應用在高溫核反應堆，比如核燃料芯塊的包覆），他們認為，這是metal-CNT系材料所具有的通性。

該成果已經發表在Nano?Energy。原文鏈接

感謝材料人編輯部封蕾提供素材。