近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所研究員方前鋒課題組與美國麻省理工學(xué)院（MIT）核工系教授李巨合作，在聚變堆超導(dǎo)帶材的設(shè)計及其抗氦輻照損傷研究中取得進展。該研究將實驗設(shè)計與理論模擬相結(jié)合，驗證構(gòu)造多級特征結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)高性能材料的有效策略，并利用特殊界面調(diào)控氦泡生長的動力學(xué)過程，使銅鈮復(fù)合材料具有優(yōu)異的機械、超導(dǎo)和抗輻照性能，有望應(yīng)用于核聚變領(lǐng)域。相關(guān)研究成果以Superconducting Cu/Nb nanolaminate by coded accumulative roll bonding and its helium damage characteristics為題，發(fā)表在Acta Materialia上。

鈮（Nb）基合金是一種應(yīng)用于制備加速器及未來聚變堆的超導(dǎo)體材料。由于以超導(dǎo)帶材為形式制作的磁體線圈需要經(jīng)歷繞制工藝，在服役過程中承受較大的洛倫茲力，且易在晶界/相界（GBs/PBs）中累積核反應(yīng)產(chǎn)物氦（He）。因此，應(yīng)用于聚變領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)功能材料需具備較高強度、較好塑性及優(yōu)異的抗輻照損傷性能。研究人員采用改進的累積疊軋焊接技術(shù)（coded-ARB），通過“編碼”二元組分的尺度分布，制備出具有多級特征結(jié)構(gòu)且滿足性能要求的鈮基納米疊層材料。

操縱微觀結(jié)構(gòu)的特征尺度是一種用于優(yōu)化材料性能的設(shè)計策略。研究發(fā)現(xiàn)，類似“條形碼”形貌的雙相分層結(jié)構(gòu)可以有效調(diào)控箔材在軋制過程中的局部應(yīng)力分布，將部分剪切力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，延緩材料開裂，增加等效應(yīng)變。其中，高密度納米級銅層抑制位錯運動，防止裂紋在鈮基體層間拓展，提高材料的強度和韌性，并增強鈮層的抗氧化能力。同時，通過控制加工過程中材料內(nèi)部應(yīng)力場的變化，構(gòu)建不同的界面類型，不斷累積的失配位錯與界面發(fā)生相互作用，利用“位錯泵”效應(yīng)加速銅與鈮原子之間的固溶，形成化學(xué)混合區(qū)域。隨著塑性應(yīng)變的積累以及晶格缺陷密度的增大，界面演變?yōu)槿S尺度的非晶無序結(jié)構(gòu)。

研究人員通過氦離子輻照實驗及分子動力學(xué)模擬分析得出，由于氦在界面的擴散系數(shù)較高，氦間隙更易在有序的二維（2D）相界面聚集為氦泡，降低材料的力學(xué)性能。而化學(xué)混合和非晶結(jié)構(gòu)構(gòu)建的三維界面（3D）因含有較多的自由空間，可提供氦泡形核位點，有效抑制氦團簇長大，使納米多層復(fù)合材料具有更好的抗氦輻照能力。材料的超導(dǎo)性能研究表明，軋制態(tài)的多尺度銅鈮疊層材料具有與純鈮相似的超導(dǎo)電流負(fù)載能力，且化學(xué)摻雜的界面結(jié)構(gòu)增強對磁通線的釘扎效應(yīng)，在較高磁場下更為明顯，而退火態(tài)的銅鈮材料的超導(dǎo)性則因?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)失穩(wěn)和界面散射增加而被抑制。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、美國能源部等的支持。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420305371

圖1.鈮基納米疊層材料中的多級特征結(jié)構(gòu)——(a,b)“條形碼”狀分布的二元疊層結(jié)構(gòu)，(c)化學(xué)混合態(tài)與(d)非晶態(tài)Cu/Nb界面

圖2.(a)傳統(tǒng)疊軋焊接；(b,c)“編碼”軋制過程中多尺度銅鈮疊層材料的應(yīng)力場演化；(d,e) 不同類型界面附近的位錯分布

圖3.(a-f)分子動力學(xué)模擬三種不同界面中氦的演化過程；(g)氦濃度和氦團簇尺度分布統(tǒng)計；(h-j)氦離子輻照后不同界面的微觀結(jié)構(gòu)及氦泡形貌

圖4.(a)不同特征尺度的鈮基納米疊層材料力學(xué)性能；(b)不同狀態(tài)鈮基疊層材料超導(dǎo)金茲堡-朗道方程擬合對比