MAX相金属陶瓷材料的辐照损伤机理研究

As promising candidate structural materials in advanced nuclear systems, the ternary nanolamellar structural metallic ceramics (MAX phases) have been attracted great interests in the researches of radiation tolerance and radiation-induced damage mechanism. In recent years, we have investigated the irradiation-induced structural damages and phase transitions in several C-based MAX phases. Based on our accumulated experiences in the field of radiation effects of other nuclear materials, this project will focus on the process of damage evolution and phase transitions, as well as the correlations between the microstructural defects and the mechanical/electrical properties after ion irradiation at different temperatures in series of MAX phases, combined several experimental methods (including Cs-corrected STEM HAADF) and theoretical simulation results. By comparing the irradiation effects in various MAX phases with different structures and elementary compositions, the defect behavior and damage evolution will be investigated. We aim to make original progresses in the studies of the mechanism of radiation-induced damages and changes of macroscopic properties, as well as microstructural transformations at different temperatures. This project will strive to make a breakthrough in the applications of the MAX phases in the nuclear systems.

作为先进核能系统中重要候选结构材料，MAX相-这一新型三元纳米层状金属陶瓷材料的抗辐照损伤性能和辐照损伤机制研究已成为国内外研究热点。近几年申请人及课题组已开展了几种C基MAX相材料辐照损伤中微观结构及相变机制的实验及理论研究，取得了若干重要的研究结果。本项目拟在前期工作及多年积累的核能材料辐照损伤研究的基础上，通过不同温度条件下载能离子辐照系列MAX材料，结合球差电镜中STEM HAADF方法等先进实验方法与理论模拟手段，系统深入研究辐照引起的缺陷演化机制及损伤与相变过程，及其与宏观力学和电学性质的关联。通过系统对比不同结构、组分MAX相材料的辐照损伤特征，阐明MAX相金属陶瓷这一新型材料体系中的缺陷行为及损伤演化机理，在MAX相材料抗辐照损伤机理及宏观性质转变、不同温度条件下MAX相材料的微观结构转变机制等方面做出原创性的研究工作，力争使MAX相材料在实际核能系统中的实际应用取得突破。

MAX相材料具有独特的纳米层状结构及优异的宏观性能，因此作为先进核能系统中的候选结构材料，拥有重要的应用前景。本项目通过对近10种不同MAX相材料进行相同条件的辐照，结合TEM、XRD等实验结果及第一性原理计算方法，发现了不同MAX相材料抗辐照结构相变的差异性，并解释了材料中各类缺陷形成能、化学键属性以及本征原子排布方式影响辐照响应的原因。利用TEM与APT等原子尺度的精细测量，确定了离子辐照后Ti3AlC2中阳离子与阴离子的晶格位置及辐照诱发材料有六方结构向立方结构转变的相变机制，推翻了此前国际上主流的辐照引起MAX相材料分解的假说。此外，本项目研究了温度效应对于材料微观结构转变的作用，结果显示高温有效促进了MAX相中辐照引起的损伤恢复。综合上述结果，本研究为全面系统研究MAX相材料的辐照损伤效应奠定了坚实的工作基础，并对于设计研发具有更强抗辐照损伤性能的MAX相材料提供了可靠的理论依据。正因为本项目系统性的研究成果，受邀为Applied Physics Reviews撰写了一篇MAX相辐照损伤的综述文章。在本项目资助下，本课题组共发表SCI论文9篇，包括上述的综述文章及一篇Nature Communications。培养博士生5名，其中王晨旭获得北京大学优秀博士论文。