《Acta Materialia》| 香港城市大學趙仕俊教授：CSAs中點缺陷復合機制的溫度依賴

【研究背景】

長期以來，高熵合金（HEAs）因其獨特的化學無序結構，展現出極強的抗輻照性能。通常的解釋主要認為這種“原子隨機排列”的微觀結構能有效促進輻照缺陷的復合，大幅減少材料損傷。
然而，近年來的研究發現，化學無序的作用并非“一成不變”，在NiFe和NiCoCr合金中，輻照響應會因溫度不同而發生反轉。這表明，化學無序對缺陷行為的影響可能比我們想象的更復雜。更棘手的是，由于多主元固溶體合金（CSAs）中缺陷擴散速度極慢，傳統分子動力學（MD）模擬根本無法觀測到長時間尺度下的缺陷復合行為，這給研究帶來了巨大挑戰。
針對這一難題，香港城市大學趙仕俊教授團隊采用“加速動力學模擬”（time-stamped force bias Monte Carlo, tfMC），首次系統揭示了不同溫度下化學無序如何影響 Frenkel 缺陷的復合行為，為高熵合金的抗輻照優化提供了全新理論指導。研究工作以“Temperature-dependent defect recombination mechanism in concentrated alloys from accelerated dynamics simulations”為題發表在最新一期的材料領域著名期刊Acta Materialia上。第一作者為博士研究生付海軍，文章通訊作者為趙仕俊教授。

【文章亮點】

1. 溫度調控復合機制：純鎳中高溫抑制復合，但合金中低溫促進、高溫呈現復雜博弈，受化學無序性顯著影響。

2. 化學無序的關鍵作用：低溫下合金中傾向形成〈110〉啞鈴型間隙子缺陷，有利于遠程復合；高溫時合金中〈110〉啞鈴型間隙子缺陷穩定性增強，削弱了遠程復合趨勢，而NiFe中因不穩定的含Fe原子型啞鈴構型占比增大，作為一種補充的復合機制，使得其在高溫下復合半徑相對于NiCoCr大。

3. 實驗與理論統一：模擬揭示NiFe和NiCoCr復合半徑與溫度趨勢與實驗上觀察到到的抗輻照性能與溫度趨勢一致。

【文章圖文解析】

圖1. 溫度對Ni中Frenkel缺陷復合半徑（R0）及啞鈴缺陷方向的影響。
圖1中展示了純Ni中復合半徑R0分布隨溫度變化，R0可視為彈性偶極相互作用的范圍，因此復合半徑會隨溫度升高而逐漸減小。但溫度不僅影響Frenkel缺陷對的遠程相互作用，還會改變啞鈴構型的穩定性，這兩個因素協同影響Frenkel缺陷對的復合機制。

圖2. 不同溫度下NiFe合金的復合半徑R0分布
為揭示化學無序對NiFe合金中復合過程的影響，圖2展示了ΔR0隨溫度的變化趨勢。ΔR0定義為Ni(1-x)Fex合金的平均復合半徑R0 (NiFe)與純Ni的R0 (Ni)之差。模擬結果表明，NiFe合金中Fe含量增加和溫度升高均會增大ΔR0，從而促進復合過程。Fe的引入會產生兩種競爭效應：(1) 溶質-缺陷相互作用會屏蔽間隙原子與空位間的吸引力，抑制長程復合；(2) 處于高能態的啞鈴構型形成會促進長程復合。ΔR0的變化取決于哪種效應占主導。

圖3. NiCoCr合金中復合行為的特征分布。
在圖3中，NiCoCr合金復合前最終穩定位點中〈110〉取向的啞鈴結構占比超過60%，成為主導構型，但是這個占比卻呈現出弱溫度依賴性。

圖4. Ni、NiFe和NiCoCr合金復合半徑R0及間隙子穩定性隨溫度變化。
NiCoCr合金在低溫下的平均R0大于NiFe合金，但隨著溫度升高，這一趨勢發生逆轉。為揭示這一復雜現象的內在機制，圖4中對比分析了合金組分化學無序性和溫度對啞鈴結構穩定性及相互作用強度的影響。

【總結與展望】

該研究結果與高溫下NiFe和NiCoCr合金抗輻照性能的逆轉現象相吻合。通過闡明長程相互作用、能量穩定性與溫度之間的復雜關系，本研究揭示了調控復合過程的微觀機制，不僅深化了對Frenkel缺陷對行為的認識，還為設計開發高抗輻照材料提供了理論依據。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121066

【課題組介紹】

趙仕俊教授團隊近期致力于開發高性能高熵合金、高熵陶瓷、儲能材料和能源轉化材料等。在計算材料領域，共計發表超過150篇同行評審論文，總引用超8000次。主持多項香港政府資助項目、國家自然科學基金項目、廣東省和深圳市自然科學基金項目。

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1.Cover letter
2.CV
3.2-3頁研究計劃
課題組網站：https://www.x-mol.com/groups/Shijun_ZHAO
趙仕俊教授個人主頁: Shijun ZHAO - CityUHK Scholars | A Research Hub of Excellence