美國橡樹嶺國家實驗室胡遜祥研究員團隊：氦離子輻照誘導鎢表面結構演化新發現

材料人編輯小單 1年前 (2022-07-25) 2060瀏覽

導讀

金屬鎢近表面的氦效應分析對于聚變反應堆面向等離子體材料（plasma-facing materials，PFMs）的設計和研發有重要的理論指導意義。過去幾十年，以國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）為代表的磁約束聚變裝置取得了長足的進步。金屬鎢因其極高的熔點、較低的中子活化度、低濺射性、氫滯留低等特性，被視為未來聚變堆中最可能全面使用的面向等離子體材料。然而，研究發現低能量、高通量的聚變反應產物—氦會在鎢表面誘發嚴重的輻照損傷現象，比如表面起泡（blister）、起絲（nanofiber）、剝落（flaking）等。這種表面結構損傷區別于一般的離子濺射損傷，與氦元素在鎢近表面的擴散、聚集以及與缺陷的相互作用等相關。目前，關于金屬鎢在氦離子輻照環境下的表面結構演化現象，仍存在很多尚未解決的科學問題。

成果掠影

美國橡樹嶺國家實驗室先進核材料組的范存才博士（現香港大學RGC博士后研究助理）和胡遜祥研究員（2021年全職回國，現任四川大學特聘研究員/海納青年學者），通過常溫下的氦離子（40 keV He⁺）注入，結合高溫熱脫附實驗和微結構表征，針對單晶鎢和多晶鎢的表面氦效應展開了系統性的研究。結果發現，在W {100} 和 W {110} 單晶樣品的氦離子注入區域中出現了新的取向為 <111> 的晶粒（見下文圖1）。雖然這些新的 <111> 取向的晶粒形狀不規則，大小在微米級別，厚度在離子輻照區域內（見下文圖2），但是極圖分析卻表明它們和母體晶格之間存在確定的位相偏轉關系（見下文圖3）。相比之下，W {111} 樣品在離子注入前后并未有任何取向變化。在隨后的高溫氦脫附實驗中，三個樣品的近表面區域全都形成了大量的氦泡（見下文圖4）。但值得注意的是，只有在發生晶向偏轉的 W {100} 和 W {110}單晶?樣品表面才會產生褶皺現象。顯然，晶向偏轉在材料近表面結構演化過程中扮演著十分重要的角色。偏轉驅動力可能源自開口晶向（channeling direction）和閉口晶向（non-channeling direction）在離子注入時產生的能量差。在體心立方（BCC）晶體中，最大開口方向是密排方向 <111>，所以當離子沿此方向進入晶格時，與晶格粒子碰撞的概率最小，產生的缺陷密度最低，因此系統能量狀態也最低。由此可以推斷，相對閉口的 <100> 和 <110> 晶向會向 <111> 取向偏轉。除此之外，研究還發現氦的存在可以顯著抑制多晶鎢在高溫下的回復、再結晶和晶粒長大（見下文圖5）。

具體研究成果可參考已發表論文：

(1) Cuncai Fan, Congyi Li, Chad M. Parish, Yutai Katoh, Xunxiang Hu. "Helium effects on the surface and subsurface evolutions in single-crystalline tungsten." Acta Materialia 203 (2021): 116420.

(2) Cuncai Fan, Yutai?Katoh, Xunxiang Hu. "Impact of helium irradiation on the crystallographic orientation change in single-crystalline tungsten." Nuclear Fusion 61, no. 7 (2021): 076011.

(3) Cuncai Fan, Xunxiang Hu. "Recovery and recrystallization of warm-rolled tungsten during helium thermal desorption spectroscopy annealing." Journal of Nuclear Materials 569 (2022): 153914.

核心創新點

離子注入誘導表面晶向偏轉（從開口晶向轉為閉口晶向），對表面結構演化有重要影響。

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