伊莎貝拉·斯盧法斯卡

這就是材料科學家一直在尋找能夠承受惡劣輻射環(huán)境的新材料的原因之一。一種已顯示出制造抗輻射金屬系統(tǒng)前景的策略是將不同材料分層，從而產(chǎn)生高密度的界面。界面可以吸收材料缺陷，導致輻射損傷的恢復和愈合。此外，這些界面還可以通過設計提高強度、韌性和抗氧化性，從而對材料性能發(fā)揮重要作用。

現(xiàn)在，威斯康星大學麥迪遜分校的工程師已經(jīng)將類似的分層策略應用于一類稱為 MAX 相的抗輻射陶瓷，仔細研究了這種多層界面上發(fā)生的情況。這項工作為創(chuàng)造新型層狀陶瓷打開了大門，這些陶瓷可用作核反應堆的結構和涂層材料以及半導體中的電子元件。該研究發(fā)表在2021 年 6 月 25 日的《科學進展》雜志上。

“陶瓷通常具有良好的耐腐蝕性和高溫穩(wěn)定性，因此它們在核應用中可以發(fā)揮特殊作用，”威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程教授伊莎貝拉·斯盧法斯卡說。“分層在金屬系統(tǒng)中是成功的。但是陶瓷的行為與金屬非常不同。問題之一是界面是否對陶瓷有益，因為這些材料中的缺陷行為更為復雜。此外，陶瓷通常由彼此截然不同的元素組成，這些元素中的每一個都可能與界面發(fā)生不同的相互作用，從而導致對輻射的復雜反應。”

張宏亮

為了進行研究，包括博士后張宏亮和奚建奇在內(nèi)的研究小組使用碳化硅鈦 (Ti3SiC2) 創(chuàng)建了一個分層系統(tǒng)，這是一種 MAX 相陶瓷材料，在輻射下具有最高的晶體結構穩(wěn)定性。然而，盡管碳化鈦硅的晶體結構保持穩(wěn)定，但這種材料往往會隨著時間的推移而產(chǎn)生缺陷，從而導致在高輻射水平下發(fā)生相變。

陶瓷沉積專家張，使用一種稱為射頻磁控濺射的技術，用碳化硅和碳化鈦的納米級層涂覆碳化硅鈦，這兩種陶瓷已知具有良好的抗輻射性。

然后，該團隊在威斯康星大學麥迪遜分校離子束實驗室用碳離子照射這種層狀材料的“三明治”，然后使用透射電子顯微鏡確定其抗輻射能力。

奚建奇

他們發(fā)現(xiàn)，當談到抗輻射性時，界面可能是好是壞，這取決于界面的原子級細節(jié)。在MAX相和碳化鈦的邊界處，耐輻射性得到改善。在那里，輻射誘導的相變受到抑制，因為與碳化鈦的界面充當了缺陷匯，允許在 MAX 相內(nèi)形成的缺陷遷移到界面和碳化鈦中。

但碳化硅的情況正好相反，結果證明它是缺陷的來源。在該材料中產(chǎn)生的缺陷被轉移到 MAX 階段——加速其降解。

斯盧法斯卡表示，該研究表明，在 MAX 相陶瓷中分層和創(chuàng)建界面為設計具有更高抗輻射性的新材料提供了非常有前景的途徑。然而，界面需要仔細選擇和設計，因為并非所有界面都有利于退火輻射損傷。

界面設計需要了解材料中近界面區(qū)域的原子級結構和化學的演變。而且，斯盧法斯卡說，我們需要了解界面兩側的材料缺陷是如何相互耦合的。“這種復雜性使得對輻射響應的先驗預測變得困難。”

然而，該團隊計劃在未來合成這些材料并在實驗室進行實驗測試之前，使用原子模擬來確定有前景的陶瓷界面。“由于陶瓷缺陷行為的復雜性和豐富性，新型多層材料的設計潛力巨大。探索的空間很大，我們幾乎沒有觸及表面，”斯盧法斯卡說。

伊莎貝拉·斯盧法斯卡是威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程和工程物理學的 Harvey D. Spangler 工程教授，也是威斯康星大學麥迪遜分校核能系統(tǒng)研究所 (INES)的核心教員。

威斯康辛大學麥迪遜分校的其他作者包括蘇，胡，金俊英，魏和張。上海復旦大學集團的李立群也對此文有貢獻。