《Science Advances》通過多層膜陶瓷提高MAX相材料輻照穩定性

孜然學術

大學教師

輻照不僅僅對生物是危險的，對材料也同樣如此；隨著時間的推移，持續的輻照會導致從電子產品到結構材料再到核或空間應用中使用的包層等一切材料性能退化和失效。這也是材料科學家一直在尋找能夠承受惡劣輻照環境的新材料的原因之一。目前一種被證明可用於制備抗輻照金屬材料的策略是制備金屬多層膜
，因為這會產生高密度的界面，而界面可以吸收材料缺陷，導致輻照損傷的恢複和複合。此外，這些界面還可以通過設計提高材料的強度、韌性和抗氧化性，從而對材料性能發揮重要作用。

現在，威斯康星大學麥迪遜分校的科學家們將類似的策略應用於一類基於 MAX 相材料、SiC和TiC的抗輻照陶瓷多層膜材料，他們仔細研究了這種多層陶瓷在各個界面上發生的過程，借此提出了增強該材料輻照穩定性的方法。這項工作為創造新型層狀陶瓷打開了大門，這類陶瓷多層膜材料可用作核反應堆的結構和塗層材料等強輻照環境之中。
該研究以Enhancing the phase stability of ceramics under radiation via multilayer engineering為題發表在2021年6月的《Science Advances》雜志上。

論文鏈接：

http://advances.sciencemag.org/content/7/26/eabg7678

“陶瓷通常具有良好的耐腐蝕性和高溫穩定性，因此它們在核應用中可以發揮特殊作用，”威斯康星大學麥迪遜分校材料科學與工程教授 Izabela Szlufarska 說。“多層膜的方法在金屬系統中是成功的。但是陶瓷的行為與金屬截然不同。問題之一是界面是否對陶瓷有益，因為這些材料中的缺陷行為更為複雜。此外，陶瓷通常由彼此截然不同的元素組成，這些元素中的每一個都可能與界面發生不同的相互作用，從而導致對輻照的複雜反應。
”

為了進行研究，包括張宏亮、席建奇在內的研究小組使用Ti3SiC2制備了一個多層膜系統，Ti3SiC2是一種在輻照下晶體結構穩定性最高的 MAX 相陶瓷材料之一，然而，雖然Ti3SiC2的晶體結構保持穩定，但這種材料往往會隨著時間的推移而產生缺陷，最終在高輻照水平下會發生相變。作為陶瓷沉積領域和輻照效應研究的專家，張宏亮博士使用射頻磁控濺射技術，制備了SiC、TiC（另外兩種已知具有良好抗輻照性的陶瓷）和Ti3SiC2的多層膜。

圖 從(11-20)方向拍攝的SiC/Ti3SiC2/TiC界面區域高分辨TEM

然後，該團隊在威斯康星大學離子束實驗室用碳離子輻照這種層狀材料，並使用球差透射電子顯微鏡等實驗分析手段確定其對輻照的抵抗力。他們發現，當談到抗輻照性時，界面可能是好是壞，這取決於界面的原子級細節
。在MAX相和TiC的邊界處，耐輻照性得到改善。第一性原理計算表明：在此界面處輻照誘導相轉變被抑制是因為與TiC的界面充當了缺陷捕獲中心，並允許在 MAX 相內形成的缺陷遷移到界面和TiC中。

但在靠近SiC的界面處的情況正好相反，實驗和理論計算證明SiC在輻照條件下是缺陷的來源。在該材料中產生的缺陷被轉移到 MAX 相中——加速了後者的降解。

Szlufarska 教授表示，該研究表明，在 MAX 相陶瓷中分層和創建界面為設計具有更高抗輻照性的新材料提供了非常有前途的途徑。然而，必須仔細選擇和設計界面，因為並非所有界面都有利於退火輻照損傷。

界面設計需要了解材料中近界面區域的原子級結構和化學的演變。而且，Szlufarska 說，我們需要了解界面兩側的材料缺陷是如何相互耦合的。“這種複雜性使得對輻照響應的先驗預測變得困難。” “由於陶瓷缺陷行為的複雜性和豐富性，新型多層材料的設計潛力巨大。探索的空間很大，我們目前的了解僅僅只是冰山一角，”Szlufarska 教授說。

本研究得到了美國能源部（DE-FG02-08ER46493）的資助。

本文來自微信公眾號“材料科學與工程”。歡迎轉載請聯系，未經許可謝絕轉載至其他網站。