阻氚涂层的纳米多层化设计及其界面效应研究

Tritium permeation barrier (TPB) coatings made of ceramics give an effective prevention of tritium from leakage and permeation. However, neutron irradiation in tritium breeding blanket will induce serious radiation damage in TPB coatings, resulting in a significant reduction of the barrier performance. This project aims to design a high-performance Al2O3/oxide composite coating with a multilayered nanofilms structure (MNS), within which the layer interfaces can “manage” the irradiation-induced point defects and transmutation products resulting in a superior radiation tolerance. By investigating the stability of the layer interface in the TPB coating, the interaction mechanism between defect points, transmutation products and the layer interface will be clarified. Furthermore, the relationship between radiation accumulation, temperature and stability of the layer interfaces will be established. By characterizing the radiation tolerance of the MNS coating combined with the investigation of stability of the layer interfaces against irradiation accumulation, a relationship between coating design, layer interfaces design, properties of the layer interfaces and the barrier performance of the coatings will be established. At the end of the project, a series of design ideas and a feasible approach will be proposed to develop a long-life, stable and radiation tolerant TBP coating.

陶瓷阻氚涂层能有效地阻挡氚的渗透与泄漏。然而，聚变堆包层内高能中子引起的辐照损伤将使涂层的阻氚性能急剧下降。本项目从提高Al2O3阻氚涂层的抗辐照性能入手，以纳米多层涂层“层界面”对辐照致点缺陷、嬗变产物的有效“管理”为出发点，设计并制备高性能Al2O3/氧化物纳米多层阻氚涂层。通过研究层界面的辐照累积耐受性能，澄清在复杂的辐照场/温度场下，层界面与辐照致点缺陷和嬗变产物之间的交互作用机制，进而建立辐照累积、温度变化与层界面稳定性之间的相互关联。通过对纳米多层阻氚涂层宏观服役性能的表征，结合微观的层界面辐照耐受性能研究，建立涂层膜体设计、界面设计、界面性能及稳定性与涂层阻氚性能的相互关联，最终提出长寿命、高性能稳定性的耐辐照纳米多层阻氚涂层的设计思想和实现途径。

为提高阻氚涂层的耐辐照性能，本项目对涂层进行纳米多层化设计，研究了纳米化后涂层的微结构对辐照效应的响应，重点研究涂层的界面（相界面、晶界、晶体缺陷等）与辐照致点缺陷的交互作用行为，为阻氚涂层的结构、性能与制备工艺的优化提供理论依据。主要研究成果包括：.1.发现异质界面与界面两侧点缺陷的相互作用是不对称的，异质界面附近的空位将在大量纳米晶界、位错等缺陷的协助下，从高空位形成能相迁移至低空位形成能相。该工作揭示了中低温下，空位在纳米材料异质界面附近的迁移行为，及其对复合材料结构稳定性的影响，对耐辐照纳米阻氚涂层，纳米复合材料的设计有重要指导意义。.2.发现室温下长期时效，掺氦纳米多层涂层的空位型缺陷数量或尺寸明显增加，氦易在异质界面处析出，形成氦泡，异质界面能抑制的氦泡的长大，且界面结构完整。该工作揭示了长期服役条件下，嬗变产物氦对纳米多层涂层及其界面结构稳定性的影响。.3.评估了氦在纳米阻氚涂层中的累积损伤行为，发现纳米阻氚涂层的氦累积损伤行为不但与晶粒大小、晶界数量有关，还很大程度上取决于晶内缺陷的类型。层错可以促进氦在晶界聚集，缓解涂层的氦累积损伤，而空位型位错环则会捕捉氦原子，使其在晶内聚集并快速扩展，形成微裂纹，加剧涂层的辐照损伤。该工作揭示了纳米材料中晶内缺陷类型对嬗变产物的累积行为的重要影响，对耐辐照纳米阻氚涂层的设计及其使用过程中的风险评估有重要指导意义。.4.研究了具有迟滞扩散性能的高熵合金对辐照效应的响应行为，发现高通量辐照导致高熵合金元素偏析严重，其中空位型缺陷对元素偏析行为有重要影响，溶质原子半径越大，其扩散速度越快。该研究有助于理解高通量辐照下材料的失效行为，对耐辐照材料的元素、组元选择有重要指导意义。