碳纳米管可提高辐射环境下金属的寿命

材料牛注：普通材料暴露在核辐射环境中，将会千疮百孔，使材料变脆、失效，影响核反应堆的持久运行。来自麻省理工学院的研究人员通过在材料中加入微量碳纳米管，使应用在核辐射周围的材料脆化率降低5~10倍，这对核材料科学的发展意义深远！

（Nanowerk News）金属暴露在核反应堆强辐射环境周围时，其孔隙将会增多，而且也会变脆，随着时间的推移，将会导致核反应堆开裂和失效，这是限制核反应堆运行寿命的一个主要原因。目前，来自麻省理工学院（MIT）和其他研究机构的研究人员发现，在金属中添加微量碳纳米管，可以大幅延缓金属的失效，这种现象至少在一些反应堆中得到了验证。

到目前为止，该方法仅在金属铝中证明是有效的，这就限制了其在低温反应堆中的应用。但是，该研究团队表示，该方法也许可以用在采用高温合金的商业化反应堆中。

当前，铝不仅被用在核反应堆组件的研究上，而且它在核电池和航天器研究方面也备受关注，此外，它已经被提议用来作为核废料的存储器。因此，改善铝的服役寿命具有深远的意义。

长期稳定性

研究人员将碳纳米管均匀地分布在金属中，研究人员Kang Pyo So表示，这种设计是为了缓解核辐射对材料所带来的毁坏，从而确保材料性能在不发生衰退的情况下长时间服役。

核辐射会使空气发生电离，所产生的氮离子可以占据金属内部间隙，通过离子之间的结合形成氮气分子，这些氮气分子沿材料晶界间隙形成很多的微气孔，从而致使材料变得越来越脆。尽管纳米管在材料中仅占不到2%的体积分数，但是它们可以形成一个一维的传输网，这为氮离子外排提供了一个路径，而不是让其滞留在金属中继续毁坏材料。

测试表明，在辐射环境中暴露一段时间后，金属中的碳纳米管将会通过化学反应转变为碳化物，但是它们仍然保存着细长的形状，就像昆虫被困在琥珀中那样。令人诧异的是，你看不到它们的聚团，它们仍然保持着原有的一维形貌。这种一维纳米结构庞大的界面总面积，为辐射诱导点缺陷的重组提供了路径，缓解了材料的脆化。研究人员演示了一维结构可以抵抗70DPA的辐射破坏（DPA是一个单位，它是指晶格上的原子被粒子轰击离开原始位置的次数与晶格上的原子数量之比）。

研究人员Ju Li说道，在辐射照射后，我们在对照试样上可以看到气孔，但是，在所设计的新材中，我们是看不到气孔的，机械性能数据也显示新材料韧性较好。对给定数量的辐射照射试样进行测试，结果显示，材料发生脆性的数量降低了5~10倍。

该研究团队表示，这种新材料仅需要加入大约1%重量比的碳纳米管，其生产、加工成本一点也不贵。这种复合材料可以通过低成本的普通工业方法进行加工，这在韩国汽车工业已经被成吨的生产。

强度和韧性

即使在不进行辐射照射的条件下，在材料中添加少量纳米管，可以将材料的强度提高50%，同时，也可以改善材料的延伸率（延伸率指材料在不发生断裂的情况下所能承受变形的能力）。

Kang Pyo So说道，目前采用铝作为原理验证，后期，研究团队将使用锆做类似的测试（锆被广泛应用在高温核反应堆，比如核燃料芯块的包覆），他们认为，这是metal-CNT系材料所具有的通性。

该成果已经发表在Nano Energy。原文链接

感谢材料人编辑部封蕾提供素材。