金属/金属及金属/氧化物纳米多层膜的离子辐照损伤机理研究

研制应用于聚变堆强辐照、超高温等极端恶劣环境下的结构与功能材料是材料科学研究前所未遇的挑战。目前，国际上关于聚变堆强辐射环境下材料微纳结构的自我修复能力的研究是学术界处于起步阶段的热点问题，损伤缺陷与纳米晶粒晶界的作用机理尚待进一步研究。为了进一步深入细致地研究纳米晶粒晶界的作用机理，基于微纳结构缺陷自我修复的概念，根据国际学术界最新研究动向，我们拟制备每层几个纳米到几百纳米厚的模型化金属/金属及金属/氧化物纳米多层膜结构样品，通过高dpa重离子或H/He离子以及H/重离子及He/重离子双束辐照，研究纳米膜层/界面等纳米结构对载能离子辐照的响应，了解原子尺度上的缺陷行为，探究纳米膜层/界面等纳米结构对缺陷产生、聚集、迁移及复合，氦/氢泡的形成、扩散、聚集、吸收/释放过程等的影响，以及这些微纳结构对聚变堆材料在极端条件下具有自修复能力的作用，为寻找具有自修复材料能力的新材料提供基础研究依据。

在本基金项目的支持下，按照课题计划，课题组运用磁控溅射技术，成功设计制备了金属/金属（Cu/W）、金属/氧化物（W/ZrO2）、氧化物/氧化物（ZrO2/TiO2）三种界面的纳米多层膜。通过载能重离子（Au、He等）的辐照，研究了纳米膜层/界面、纳米晶粒等微结构在大剂量重离子辐照下的演变，评估了膜层厚度、晶粒尺寸大小对多层膜结构稳定性及抗辐照性能的影响，研究了纳米膜层界面/晶界等纳米结构对缺陷产生、聚集、迁移及复合，氦泡的形成、扩散、聚集、吸收/释放过程等的影响，以及这些微纳结构在极端条件下对损伤的自修复能力，为进一步寻找、设计出具有自修复能力的新型纳米材料提供参考和新思路。. 利用He离子对上述多层膜材料进行辐照(离子通量为5×1016至6×1017 cm-2 )，通过X射线衍射、扫描电子显微镜、原子力显微镜和透射电子显微镜等表征分析，发现样品耐辐照性能与薄膜制备工艺和膜层周期厚度具有一定关系；不互溶的层间界面对于氦泡的形成和长大具有一定程度的抑制作用。利用 Au离子对W/ZrO2体系的多层膜材料进行辐照(离子通量为6×1014至1×1016 cm-2 )，通过分析发现W/ZrO2体系具有很好的热稳定性，即使在最大剂量下，W/ZrO2依然保持了较好的界面结构，辐照没有引起明显的机械强度变化；材料结构稳定性与膜层厚度和晶粒尺寸密切相关；W/ZrO2界面能有效阻止晶粒长大；由于晶粒较小（< 20nm），大量的界面使得辐照产生的缺陷高效快速复合，有效地抵制了空洞等三维缺陷的产生；相较之下，W单层纳米晶在同条件辐照下晶粒明显长大，晶粒内部有小空洞聚集。最后，课题还通过先后注入Au离子和He离子，研究了W/ZrO2体系中缺陷对He泡的产生和迁移的影响，以及它们的协同作用。. 在本项基金的支持下，共发表9篇SCI收录论文，其中影响因子大于3的1篇。三名博士生获大型国际学术会议的最佳poster奖。课题组主办国际学术会议2项，项目组成员参加国际学术会议近20人次，项目主持人做大会特邀报告2次。通过本课题的执行，1人获北京大学博士学位，2人即将获博士学位，1名项目组成员晋升为北京大学工程师并获得自然科学基金青年基金的资助。