利用晶界和C纳米管联合作用提高核材料的热学、力学、抗辐照等性能

核能作为一种清洁低碳高效的能源，是解决全球能源危机和环境污染最有效的方法之一。然而，在先进核反应堆中，材料会遭受高离位损伤和大量的氢、氦等嬗变产物，大量气泡和缺陷的形成会导致材料性能严重的退化。提高核反应堆的使用寿命对核电站的安全性和经济性至关重要，而长寿命反应堆的发展取决于材料的性能。近年来，在核材料中引入大量的缺陷陷阱（sinks），如晶界、相界、自由表面和界面，被认为是实现提高抗辐照性能的有效策略。例如，纳米晶、纳米多层膜等纳米结构材料。这些纳米结构材料虽然相对于粗晶材料有着显著提高的抗辐照性能，但是仍然有许多不足之处。第一，大量晶界和界面引起的高硬度会造成材料脆化，特别是对于BCC结构的金属材料；第二，纳米晶和纳米多层膜等纳米结构材料由于界面或晶界存储辐照缺陷、嬗变溶质和气体原子的容量有限，因此服役在强中子辐照、高温、高应力等极端环境的先进核反应堆中仍然可能失效，例如基体产生裂纹、界面混合等等。第三，大量的晶界和界面可以散射电子和声子，从而显著降低材料的导热性能，这对反应堆效率和服役在高温和强应力环境下的结构材料的热力学性能产生不利影响。因此，为下一代先进核能系统开发同时具有优异的热学、力学性能和高抗辐照损伤能力的能大规模生产的先进材料，是当前面临的一项重大挑战和紧迫任务。

近日，武汉大学物理科学与技术学院任峰教授团队在Cell Press旗下材料旗舰期刊Matter上发表了题为：Smart 3D network nanocomposites collect irradiation-induced “trash”的研究论文。研究人员从自然界雨水收集和河流排水的现象中受到启发， 首次报道了将纳米晶晶界与碳纳米管结合起来设计制备具有增强力学性能、导热性能、热稳定性和优异抗辐照性能的块体纳米晶-碳纳米管三维网络复合结构材料。

图1. Fe-CNT纳米复合材料的微观结构表征、力学和热导性能测试。

在这项工作中，研究人员将铁纳米晶和碳纳米管网复合，通过放电等离子体烧结制备出了相比于纳米晶铁有着更高力学性能、导热性能、热稳定性和抗辐照性能的块体Fe-CNT纳米复合材料。高结晶质量的三维碳纳米管网不仅可以为电子和声子提供传递热量的快速通道，而且通过在铁纳米晶基体和碳纳米管之间的直接应力载荷传递机制，可以起到显著的强化作用，提高材料的导热性能和压缩塑性应变。这些碳纳米管网沿着晶界分布，在600和700 ^oC真空退火过程中可以抑制晶粒粗化，提高纳米晶的热稳定性。通过载能150 keV He⁺离子和1.2 MeV Kr³⁺离子400 ^oC加温辐照实验，不仅发现了与丰富晶界结合的三维碳纳米管网可以直接捕获和存储附近的He原子和点缺陷（“加载-卸载”机制），还发现了铁基体中辐照产生的He原子和点缺陷首先可以被晶界所捕获，然后通过晶界输运到碳纳米管中释放。最后碳纳米管可以作为巨大容量的“纳米垃圾箱”来存储大量的气体原子和缺陷（“加载-输运-卸载”机制），从而减少了材料内部的晶界脆化和基体开裂，以及空洞形成造成的肿胀，保持了微观结构的稳定。辐照后的纳米压痕硬度测试，发现该纳米复合材料可以有效地控制甚至消除辐照引起的缺陷和嬗变气体原子，保持其力学性能的稳定。因此，相比于纯铁纳米晶，拥有丰富晶界和三维碳纳米管网的Fe-CNT纳米复合材料表现出更高的抗辐照性能。分子动力学模拟证明了晶界-碳纳米管构型中“加载-输运-卸载”抗辐照机制的存在。通过第一性原理计算揭示了纳米复合材料中He/缺陷与晶界和Fe-CNT界面相互作用的能量图景，不仅发现Fe-CNT界面处的He原子、间隙原子、空位形成能都很低，有利于三维碳纳米管网收集这些辐照产生的He原子和点缺陷；还发现在纳米晶铁中嵌入碳纳米管后可以增加铁基体中的空位形成能，从而抑制基体中空洞的形成。

图2. Fe-CNT纳米复合材料在高剂量He离子加温辐照中的抗辐照性能测试和抗辐照机理分析。

总体来说，该论文设计并开发了一种由纳米晶和碳纳米管组成的具有优异的热学、力学性能和辐照损伤自愈合能力的智能三维网络纳米复合材料的总体概念，以铁纳米晶与碳纳米管复合制备的Fe-CNT纳米复合材料为研究模型，通过实验与理论计算相结合进行了验证。这种智能三维网络纳米复合材料的发现，克服了纳米晶材料存在的一些问题，进一步提高了我们对如何通过改变材料微观结构和成分来同时增强材料的力学完整性、热传导和辐照损伤自修复能力的基本理解，它为结构材料在核能应用中面临大量嬗变产物和严重离位损伤以及强的热力学应力的挑战提供了一种新的解决方案。