香港城大趙仕俊&湖南大學吳正剛團隊《Acta Materialia》: 高熵陶瓷輻照領域最新研究成果

招生：

論文通訊作者趙仕俊團隊長期招收計算材料和機器學習方向的博士生，歡迎優秀學生聯系。郵箱： shijzhao@cityu.edu.hk。點此（https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/shijun-zhao(b956b94f-a138-4df9-880b-f82528cb3ecb).html#opennewwindow）了解趙老師。

引言：

積極安全的發展核電是構建我國清潔低碳能源體系和實現雙碳目標的重要發展戰略，其中，核材料安全是反應堆長期安全運行的重要保障。超高溫陶瓷，如ZrC等，具有優異的熱物性能、耐輻照性、耐腐蝕性、抗熱沖擊性，滿足下一代先進反應堆用核材料對性能的要求，是氣冷快堆燃料包殼材料和水冷反應堆結構材料最有前景的候選者。在高熵概念的刺激下，碳化物中的陽離子可以由多種過渡金屬組成，形成高熵碳化物（HEC）。研究報道，在這些碳化物中，陰離子元素通常表現出較低的離位閾能、缺陷形成能和遷移能，使陰離子缺陷在輻照響應方面起著主導作用。因此，在陰離子亞晶格中引入化學無序是進一步調控HEC抗輻照性能的有效方法。

近日，香港城市大學趙仕俊教授團隊與湖南大學吳正剛教授團隊合作探索了高熵陶瓷中輻照誘導缺陷的積累和演化，旨在通過揭示其輻照損傷機制以優化抗輻照性能。第一性原理動力學模擬表明，陽離子亞晶格高熵化對輻照缺陷演化的影響有限。然而當將化學無序引入陰離子亞晶格以形成高熵碳氮化物陶瓷時，抗輻照性能得到顯著提升。通過研究缺陷復合動力學，提出利用Frenkel缺陷的復合能壘表征巖鹽結構高熵陶瓷的輻照耐受性，這與MAX相、燒綠石和尖晶石等其它陶瓷有著明顯的區別。進一步建立了復合能壘和形成焓之間的關聯性，發現形成焓可以作為巖鹽陶瓷抗輻照設計的關鍵指標。相關成果以“Uncovering the effects of chemical disorder on the irradiation resistance of high-entropy carbide ceramics” 在《Acta Materialia》上發表。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120187

圖文導讀：

圖1：300 K和1200 K下的缺陷積累模擬。輻照損傷程度f_d 在(a) 300 K 和 (b) 1200 K下隨著模擬dpa的變化。(c) 在0.5-1 dpa范圍內f_d的平均值。可以看出，和ZrC相比，僅陽離子高熵化的HEC抗輻照性能并沒有顯著改善。當陰離子引入氮元素后，形成高熵碳氮化物HECN，耐輻照性得到大幅提升。

圖2： (a) 不同體系在不同dpa下的徑向分布函數(RDF)。(b)不同dpa下的原子組態。

圖3：(a) 不同體系中的陰離子間隙子的復合能壘。(b) 1200 K下的動力學弛豫模擬。相對輻照損傷隨著模擬時間的變化。可以看出ZrC和HEC中的間隙子復合能壘和動力學沒有顯著差異。而HECN中缺陷復合能壘較小，且缺陷復合動力學更快。

圖4：復合能壘與形成焓和Bader電荷之間的關聯性。缺陷復合能壘隨著形成焓的降低而降低。因此，降低形成焓可以加快缺陷復合動力學，從而提升抗輻照性能。

小結：

高熵化的成分設計是提升抗輻照性能的有效方法。本文研究了高熵碳化物和高熵碳氮化物中的缺陷演化和積累。結果表明，陰離子無序化相對于陽離子高熵化更顯著地提升了抗輻照性能，這種輻照抗性的顯著改善源于加快的缺陷復合動力學。作者發現巖鹽結構的形成焓和缺陷復合能壘之間存在很強的關聯性，表明形成焓可以作為成分設計的關鍵指標，為改善抗輻照性提供了一種快速便捷的成分設計策略。