香港城大趙仕俊&美國愛達荷國家實驗室 Zhang Yanwen團隊《PMS》(IF=37.4): 高熵陶瓷輻照領域最新綜述

【引言】

在當今全球能源危機日益嚴峻，追求碳中和成為全球共識的背景下，核能作為一種清潔、高效的能源形式，其開發利用顯得尤為重要。作為核能系統中不可或缺的組成部分，陶瓷材料因其獨特的高溫性能、優異的耐腐蝕性能以及良好的輻照耐受性，廣泛應用于核燃料、燃料顆粒涂層、結構材料以及核廢料處理等多個領域。然而，盡管陶瓷材料在核能系統中扮演著至關重要的角色，現有的核用陶瓷材料仍面臨許多挑戰，特別是在輻照環境下的性能穩定性和耐腐蝕性方面，亟需通過新材料的開發來克服。

最近，高熵材料（HEMs）的概念為極端條件下材料的設計與開發帶來了新的機遇。高熵材料通過混合五種或更多成分，以準等摩爾比例形成的構型熵顯著貢獻于材料的吉布斯自由能，從而展現出獨特的物理、化學和機械性能。在這一廣泛的材料類別中，高熵合金（HEAs）因其優異的輻照抵抗性、增強的機械強度以及顯著的耐腐蝕性而被廣泛研究。高熵陶瓷（HECs）作為高熵材料的一個新興分支，由于其獨特的組成和可調節的性質，為克服傳統陶瓷的缺點提供了新的可能性。

近日，香港城市大學機械工程系的趙仕俊教授團隊與美國愛荷華國家實驗室的Zhang Yanwen教授團隊合作在綜述頂刊《Progress in materials science》上發表了“Irradiation performance of high entropy ceramics: A comprehensive comparison with conventional ceramics and high entropy alloys”一文，旨在系統回顧和總結HECs在輻照響應方面的最新進展，包括高熵碳化物、高熵焦磷酸鹽氧化物、高熵MAX相和高熵氮化物薄膜等。通過與相應的單組分陶瓷對比，本文深入探討了化學復雜性對HECs輻照性能的影響，并將HECs與廣泛研究的HEAs在輻照響應方面的相似性和差異進行了討論。文章最后，作者展望了輻照耐受性HECs未來的發展前景。

【圖文導讀】

圖1：材料中輻照損傷過程示意圖。

圖2：化學復雜性對合金輻照后空洞尺寸的影響。

圖3：化學復雜性對高熵合金抗輻照性能提升的有益影響歸納：（a） 化學復雜性帶來更低的熱導率、更廣泛分布的缺陷形成能與遷移能，以及更為粗糙的勢能面。（b） 在原子層面，這些因素共同促進了缺陷的復合，有效抑制了團簇的生長和氦泡的形成，減輕了輻照誘導的偏聚現象。（c） 在宏觀尺度上，這些原子級的現象最終促使高熵合金在輻照環境下展現出更高的相穩定性、較小的體積膨脹、降低的硬度增幅以及減緩的硬化速率。

圖4：ZrC與高熵陶瓷輻照下的性能對比。

圖5：化學復雜性對輻照下高熵陶瓷性能的作用總結。（a） 化學復雜性導致MAX相和燒綠石相比某些單組分陶瓷具有更低的反位形成能，也引起高熵陶瓷中缺陷形成能和遷移能的廣泛分布，以及粗糙的勢能面。（b） 在原子水平上，這些效應促進缺陷復合，抑制團簇生長，阻止氦泡形成，并減少輻照誘導偏聚現象RIS。（c） 在宏觀層面上，這些原子級現象最終導致相穩定性提高，體積膨脹減少，硬度增量減小，并緩解輻照下的損傷演變。

【小結】

高熵陶瓷由于其獨特的化學復雜性和結構多樣性，在抵御輻照損傷方面展現出極大的潛力。近年來的研究發現，與傳統陶瓷相比，某些高熵陶瓷在輻照后表現出更少的缺陷、更小的缺陷團簇，更低的體積膨脹以及更好的想穩定性。這些性能的提升歸功于高熵效應、晶格畸變、遲滯擴散以及“雞尾酒”效應，這些機制共同促進了缺陷復合和抑制了缺陷團簇的聚集與生長。盡管如此，目前對于高熵陶瓷中化學無序如何具體影響其輻照響應的機制仍然知之甚少，這一領域亟需深入研究和探討。未來的研究方向需聚焦于系統的高通量實驗、多尺度建模以及機器學習技術的應用，旨在全面理解高熵陶瓷的輻照性能，為設計更優異的抗輻照陶瓷提供理論基礎和實驗指導。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101250

【招生】

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