界面类型对多层膜材料耐辐照损伤能力的影响及其机制

The crucial issue in the nuclear safety is the failure of the nuclear materials after a long term service in the advanced nuclear system, where they are subjected to the combination of high temperature, high pressure, strong corrosion and high neutron radiation. The requirements of the advanced nuclear system for the nuclear materials are still not met although the progress in the design and development of the nuclear materials with high radiation tolerance has been made in the past. This project will study the influence of interface type on the tolerance of radiation damage in multilayer film material and its mechanisms, which is one of the most promising nuclear materials with high radiation tolerance. The changes of the microstructure and the properties in the interface upon the different radiation conditions such as temperature, particle type, energy, fluence, dose-rate, and dual beam are investigated by the means of experiments and simulations in order that the physical mechanisms for the radiation induced defects attracted by the interface where they recombine can be revealed. This will provide the experimental and theoretical basis for designing and developing interface structured materials with high radiation tolerance and the development, the design and the selection of the nuclear materials used in the advanced nuclear systems for our country.

在先进核能系统高温、高压、强腐蚀以及强中子辐照等诸多苛刻极端的环境中，核材料长期服役所引起的材料失效是关乎核安全的头等大事。尽管设计和发展具有高耐辐照性能的核材料取得了许多进步，但是还远达不到先进核能系统的要求。本项目以最有前景的高耐辐照性能材料之一的多层膜材料作为研究对象，开展界面类型对多层膜材料的抗辐照损伤能力的影响及其机理的研究。通过实验与理论模拟相结合的手段，研究界面类型在不同辐照条件（温度、粒子、能量、剂量、速率以及双束辐照等）下,其微观结构和性质的变化以及界面类型对消除辐照损伤的影响，分析其演化规律，从而从本质上理解和掌握界面类型对辐照损伤的消除作用的物理机制，揭开界面吸引并湮灭缺陷的真正原因以及如何通过调整界面类型来提高材料的耐辐照性能，为从原子尺度上设计和发展具有高耐辐照性能的界面结构材料以及为我国将来先进核能系统中核材料的开发、设计和选取提供必要的实验基础和理论依据。

我国急需发展在极端条件包括高温高压高辐照下应用于核反应堆的高耐辐照材料。本项目致力于研究单晶界面类型在不同辐照条件（包括辐照温度、辐照粒子、辐照能量、辐照剂量等）下其微观结构和性质的变化以及界面类型对消除辐照的影响，为从原子尺度上为设计发展具有高耐辐照性能的界面结构的材料以及为新型核材料筛选提供实验基础和理论依据。本项目制备了具有单晶结构的不同薄膜材料和具有纳米结构的多层膜材料等新型抗辐照核结构材料，并利用离子辐照，对材料的抗辐照损伤性能进行了评价。项目研究获得了如下的研究成果：.第一，制备并对比研究了Nb/MgO, Fe/MgO、V/MgO和Nb/Al2O3界面的微观结构，主要通过实验测得界面取向关系、界面原子结构、失配位错性质、失配位错密度、失配配位错网络以及模拟计算界面处电子密度分布、两种材料界面处的分离功等；.第二，在第一部分研究的基础上，选取Nb/MgO界面为例，研究了同一界面在不同辐照条件下该界面与辐照引起缺陷的相互作用机制以及界面微观结构随辐照剂量变化的演化规律。研究表明，界面失配位错密度受辐照剂量的影响，界面处的应力梯度增强界面捕获辐照引入的He离子能力；.第三，利用原位辐照实验技术，研究了不同辐照条件下Fe/MgO界面微观结构的演化以及界面捕获和湮灭辐照引起缺陷的机制。研究结果表明，半共格界面处的失配位错对于捕获和湮灭重离子辐照引入的缺陷具有重要作用。界面湮灭辐照产生缺陷的能力，同时受界面失配位错的性质和密度影响。.第四，在完成项目计划内容的同时，对比研究了辐照前后金属纳米多层膜的电学性能来研究界面增如何强材料耐辐照性能。通过实验测量与理论计算，得到了辐照前后不同调制周期的金属纳米多层膜的电阻率变化规律，并理解和掌握了辐照对电阻率影响的物理机制。.项目执行期间以第一和通讯作者身份，在本领域国际一流学术期刊Acta Materialia, Scientific Reports, Applied Surface Science, Script Materialia等上发表于项目直接相关的SCI论文7篇，国际国内会议邀请报告4个，培养硕士生一名，正在培养博士和硕士研究生6名。