抗辐照损伤的界面工程的原子机制研究

In the study on the irradiation damage mechanisms of nuclear materials, the interface engineering, by adjusting the structure, characteristics and distribution of interfaces to improve the ability of resistance to irradiation damage, has attracted more and more attention. Before we can design and tailor the interface structure effectively, it is necessary to clarify the effect of the key factors relating to interface on irradiation damage behavior at an atomic scale. In this project, we focus on the atomic mechanisms of interface engineering for improved resistance to irradiation damage. Ion irradiation, ultrahigh voltage electron irradiation combined with advanced electron microscopy are proposed to be used. In view of the engineering material system - the typical cladding materials in fusion reactors, we will investigate the key factors relating to interface as well as the dynamical interactions of irradiation defects with interfaces having different characteristics quantitatively. The relationship between the structure and the property will be established based on the analysis of microstructure and the nanoindentation experiment. The atomic mechanisms of interfacial engineering for improved resistance to irradiation damage will intend to be revealed. The present study is supposed to be able to provide important experimental data and theoretical bases for further improving the irradiation performance of materials through the effective design on interface structure.

在核材料的辐照损伤机制研究中，界面工程（通过调控界面的结构、性质与分布来提高材料抗辐照损伤的能力），逐渐吸引了人们的广泛关注。在有效设计界面结构，做到对界面的合理裁剪和调控之前，在原子尺度阐明材料辐照损伤中界面的结构、性质与分布等关键因素的影响规律是极其有必要的。本项目围绕抗辐照损伤的界面工程的原子机制问题，拟采用离子与超高压电子辐照，同时结合先进电子显微学，针对工程材料体系——聚变堆典型包层材料，在原子尺度深入探索与界面相关的各种关键因素效应，包括晶体取向、界面失配度、共格程度、应变状态、界面原子构型等，定量分析界面结构与辐照缺陷的交互作用；同时结合性能量测特别是纳米压痕实验，建立结构-性能相互关系，揭示影响抗辐照损伤性能的界面工程的原子机制，以期为通过有效的界面结构设计而进一步提高材料抗辐照性能提供重要的实验和理论依据。

在核材料的辐照损伤机制研究中，界面工程（通过调控界面的结构、性质与分布来提高材料抗辐照损伤的能力），逐渐吸引了人们的广泛关注。在有效设计界面结构，做到对界面的合理裁剪和调控之前，在原子尺度阐明材料辐照损伤中界面的结构、性质与分布等关键因素的影响规律是极其有必要的。本项目围绕抗辐照损伤的界面工程的原子机制问题，在不同温度下采用不同离子辐照并结合先进电子显微学，针对工程材料体系——聚变堆典型候选结构材料包括氧化物弥散强化ODS钢与钒合金，在原子尺度深入探索与界面相关的各种关键因素效应，包括纳米粒子结构、晶体取向、界面失配度、共格程度、应变状态、界面原子构型等，定量分析界面结构与辐照缺陷的交互作用；同时结合性能量测特别是纳米压痕实验，建立结构-性能相互关系，揭示影响抗辐照损伤性能的界面工程的原子机制，为通过有效的界面结构设计而进一步提高材料抗辐照性能提供重要的实验和理论依据。具体包括：. V-4Cr-4Ti合金中的不同尺寸纳米析出引起的应力状态在辐照损伤中的作用，阐明了纳米析出及其界面在抗辐照损伤中的作用是一个综合的效果，不仅包括尺寸，密度；还应考虑共格，应力状态等；不同温度He+注入下15Cr-ODS钢中不同类型的纳米氧化物、晶界性质对微结构的影响及辐照硬化，揭示了晶界能够作为He间隙原子快速扩散的通道，同时不同结构的析出物作为He间隙原子的缺陷阱不同，它们将联合决定周围He泡的分布形式；三维原子探针层析技术APT研究了12Cr-ODS钢中纳米团簇/颗粒的稳定性及成分变化规律，阐明了α′倾向界面析出的局部近平衡热力学和辐照增强扩散机制共同作用析出机制；新型Ce添加ODS钢的氧化物粒子类型及氦离子辐照前后微结构演变，发现Ce添加后氧化物粒子尺寸减小，特别揭示了He原子在纳米团簇和基体的界面处偏聚行为，有助于提高材料的抗辐照性能。