香港城大赵仕俊&湖南大学吴正刚团队《Acta Materialia》: 高熵陶瓷辐照领域最新研究成果

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论文通讯作者赵仕俊团队长期招收计算材料和机器学习方向的博士生，欢迎优秀学生联系。邮箱： shijzhao@cityu.edu.hk。点此（https://scholars.cityu.edu.hk/en/persons/shijun-zhao(b956b94f-a138-4df9-880b-f82528cb3ecb).html#opennewwindow）了解赵老师。

引言：

积极安全的发展核电是构建我国清洁低碳能源体系和实现双碳目标的重要发展战略，其中，核材料安全是反应堆长期安全运行的重要保障。超高温陶瓷，如ZrC等，具有优异的热物性能、耐辐照性、耐腐蚀性、抗热冲击性，满足下一代先进反应堆用核材料对性能的要求，是气冷快堆燃料包壳材料和水冷反应堆结构材料最有前景的候选者。在高熵概念的刺激下，碳化物中的阳离子可以由多种过渡金属组成，形成高熵碳化物（HEC）。研究报道，在这些碳化物中，阴离子元素通常表现出较低的离位阈能、缺陷形成能和迁移能，使阴离子缺陷在辐照响应方面起着主导作用。因此，在阴离子亚晶格中引入化学无序是进一步调控HEC抗辐照性能的有效方法。

近日，香港城市大学赵仕俊教授团队与湖南大学吴正刚教授团队合作探索了高熵陶瓷中辐照诱导缺陷的积累和演化，旨在通过揭示其辐照损伤机制以优化抗辐照性能。第一性原理动力学模拟表明，阳离子亚晶格高熵化对辐照缺陷演化的影响有限。然而当将化学无序引入阴离子亚晶格以形成高熵碳氮化物陶瓷时，抗辐照性能得到显著提升。通过研究缺陷复合动力学，提出利用Frenkel缺陷的复合能垒表征岩盐结构高熵陶瓷的辐照耐受性，这与MAX相、烧绿石和尖晶石等其它陶瓷有着明显的区别。进一步建立了复合能垒和形成焓之间的关联性，发现形成焓可以作为岩盐陶瓷抗辐照设计的关键指标。相关成果以“Uncovering the effects of chemical disorder on the irradiation resistance of high-entropy carbide ceramics” 在《Acta Materialia》上发表。

文献链接：

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

图文导读：

图1：300 K和1200 K下的缺陷积累模拟。辐照损伤程度f_d 在(a) 300 K 和 (b) 1200 K下随着模拟dpa的变化。(c) 在0.5-1 dpa范围内f_d的平均值。可以看出，和ZrC相比，仅阳离子高熵化的HEC抗辐照性能并没有显著改善。当阴离子引入氮元素后，形成高熵碳氮化物HECN，耐辐照性得到大幅提升。

图2： (a) 不同体系在不同dpa下的径向分布函数(RDF)。(b)不同dpa下的原子组态。

图3：(a) 不同体系中的阴离子间隙子的复合能垒。(b) 1200 K下的动力学弛豫模拟。相对辐照损伤随着模拟时间的变化。可以看出ZrC和HEC中的间隙子复合能垒和动力学没有显著差异。而HECN中缺陷复合能垒较小，且缺陷复合动力学更快。

图4：复合能垒与形成焓和Bader电荷之间的关联性。缺陷复合能垒随着形成焓的降低而降低。因此，降低形成焓可以加快缺陷复合动力学，从而提升抗辐照性能。

小结：

高熵化的成分设计是提升抗辐照性能的有效方法。本文研究了高熵碳化物和高熵碳氮化物中的缺陷演化和积累。结果表明，阴离子无序化相对于阳离子高熵化更显著地提升了抗辐照性能，这种辐照抗性的显著改善源于加快的缺陷复合动力学。作者发现岩盐结构的形成焓和缺陷复合能垒之间存在很强的关联性，表明形成焓可以作为成分设计的关键指标，为改善抗辐照性提供了一种快速便捷的成分设计策略。