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陶瓷分层可以生产更好的抗辐射材料

2021-07-26 09:48          辐射防护材料

辐射不仅仅是对生物的威胁;随着时间的推移,持续的辐射会导致从电子产品到核或空间应用中使用的结构材料等一切事物退化和失效。


伊莎贝拉·斯卢法斯卡

这就是材料科学家一直在寻找能够承受恶劣辐射环境的新材料的原因之一。一种已显示出制造抗辐射金属系统前景的策略是将不同材料分层,从而产生高密度的界面。界面可以吸收材料缺陷,导致辐射损伤的恢复和愈合。此外,这些界面还可以通过设计提高强度、韧性和抗氧化性,从而对材料性能发挥重要作用。

现在,威斯康星大学麦迪逊分校的工程师已经将类似的分层策略应用于一类称为 MAX 相的抗辐射陶瓷,仔细研究了这种多层界面上发生的情况。这项工作为创造新型层状陶瓷打开了大门,这些陶瓷可用作核反应堆的结构和涂层材料以及半导体中的电子元件。该研究发表在2021 年 6 月 25 日的《科学进展》杂志上。

“陶瓷通常具有良好的耐腐蚀性和高温稳定性,因此它们在核应用中可以发挥特殊作用,”威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程教授伊莎贝拉·斯卢法斯卡说。“分层在金属系统中是成功的。但是陶瓷的行为与金属非常不同。问题之一是界面是否对陶瓷有益,因为这些材料中的缺陷行为更为复杂。此外,陶瓷通常由彼此截然不同的元素组成,这些元素中的每一个都可能与界面发生不同的相互作用,从而导致对辐射的复杂反应。”


张宏亮

为了进行研究,包括博士后张宏亮和奚建奇在内的研究小组使用碳化硅钛 (Ti3SiC2) 创建了一个分层系统,这是一种 MAX 相陶瓷材料,在辐射下具有最高的晶体结构稳定性。然而,尽管碳化钛硅的晶体结构保持稳定,但这种材料往往会随着时间的推移而产生缺陷,从而导致在高辐射水平下发生相变。

陶瓷沉积专家张,使用一种称为射频磁控溅射的技术,用碳化硅和碳化钛的纳米级层涂覆碳化硅钛,这两种陶瓷已知具有良好的抗辐射性。

然后,该团队在威斯康星大学麦迪逊分校离子束实验室用碳离子照射这种层状材料的“三明治”,然后使用透射电子显微镜确定其抗辐射能力。


奚建奇

他们发现,当谈到抗辐射性时,界面可能是好是坏,这取决于界面的原子级细节。在MAX相和碳化钛的边界处,耐辐射性得到改善。在那里,辐射诱导的相变受到抑制,因为与碳化钛的界面充当了缺陷汇,允许在 MAX 相内形成的缺陷迁移到界面和碳化钛中。

但碳化硅的情况正好相反,结果证明它是缺陷的来源。在该材料中产生的缺陷被转移到 MAX 阶段——加速其降解。

斯卢法斯卡表示,该研究表明,在 MAX 相陶瓷中分层和创建界面为设计具有更高抗辐射性的新材料提供了非常有前景的途径。然而,界面需要仔细选择和设计,因为并非所有界面都有利于退火辐射损伤。

界面设计需要了解材料中近界面区域的原子级结构和化学的演变。而且,斯卢法斯卡说,我们需要了解界面两侧的材料缺陷是如何相互耦合的。“这种复杂性使得对辐射响应的先验预测变得困难。”

然而,该团队计划在未来合成这些材料并在实验室进行实验测试之前,使用原子模拟来确定有前景的陶瓷界面。“由于陶瓷缺陷行为的复杂性和丰富性,新型多层材料的设计潜力巨大。探索的空间很大,我们几乎没有触及表面,”斯卢法斯卡说。

伊莎贝拉·斯卢法斯卡是威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程和工程物理学的 Harvey D. Spangler 工程教授,也是威斯康星大学麦迪逊分校核能系统研究所 (INES)的核心教员。

威斯康辛大学麦迪逊分校的其他作者包括苏,胡,金俊英,魏和张。上海复旦大学集团的李立群也对此文有贡献。

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