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彩票汇在聚變堆超導帶材的設計及其抗氦輻照損傷研究方面取得新進展
發表日期: 2020-08-04 作者: 高瑞
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近日,中科院合肥研究院彩票汇方前鋒研究員課題組與美國麻省理工學院MIT)核工系李巨教授合作,在聚變堆超導帶材的設計及其抗氦輻照損傷研究方面取得進展。相關研究成果以Superconducting Cu/Nb nanolaminate by coded accumulative roll bonding and its helium damage characteristics爲題發表在金屬材料頂級期刊Acta Materialia (Acta Mater. 97, 212-223 (2020))上。

(Nb)基合金是一種廣泛用于制備加速器及未來聚變堆的超導體材料。由于以超導帶材爲形式制作的磁體線圈需要經曆繞制工藝,在服役過程中承受巨大的洛倫茲力,而且易在晶界/相界(GBs/PBs)中累積核反應産物氦(He)。因此,應用于聚變領域的結構功能材料需具備較高強度、較好塑性及優異的抗輻照損傷性能。科研人員采用了一種改進的累積疊軋焊接技術coded-ARB),通過編碼二元組分的尺度分布,制備出一種具有多級特征結構滿足上述性能要求的铌基納米疊層材料。

操纵微觀結構的特征尺度是一種用于优化材料性能的設計策略。研究發現,類似條形碼形貌雙相分層結構可以有效的調控箔材在軋制過程中的局部應力分布,將部分剪切力轉化爲壓應力,延緩材料開裂,增加等效應變。其中,高密度的納米級銅層抑制位錯運動,防止裂紋在铌基體層間的拓展,提高了材料的強度和韌性,也增強了铌層的抗氧化能力同時,通過控制加工過程中材料內部應力場的變化構建出不同的界面類型,不斷累積的失配位錯與界面發生相互作用,利用位錯泵效應加速銅與铌原子之間的固溶,形成化學混合區域隨著塑性應變的積累,晶格缺陷密度的增大,界面演變爲具有三維尺度的非晶無序結構

研究人員通過氦離子輻照實驗及分子動力學模擬分析得出,由于氦在界面的擴散系數較高,氦間隙更易在有序的二維2D)相界面聚集爲氦泡,降低材料的力學性能。而化學混合和非晶結構構建的三維界面(3D)因含有較多的自由空間,能夠提供豐富的氦泡形核位點,有效抑制氦團簇長大,使得納米多層複合材料具有更好的抗氦輻照能力。材料的超導性能研究軋制態的多尺度銅铌疊層材料具有與純铌相似的超導電流負載能力,且化學掺杂的界面結構增强對磁通線的釘紮效應,在較高磁場下更爲明顯。但退火態的銅铌材料因層狀結構失穩,界面散射增加,其超導性能被抑制。該項研究基于實驗設計與理論模擬相結合,驗證了構造多級特征結構以實現高性能材料的有效策略,同時利用特殊界面調控氦泡生長的動力學過程,最終使銅铌複合材料具有優異的機械、超導和抗輻照性能,並有望應用于核聚變領域。

該研究工作得到國家自然科學基金、安徽省自然科學基金、美國能源部相關项目的支持。

論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420305371

1. 納米疊層材料中的多級特征結構——(ab)“條形碼狀分布的二元疊層結構(c)化學混合(d)非晶態Cu/Nb界面。

2. (a) 傳統疊軋焊接(bc) “編碼軋制過程多尺度銅铌疊層材料的應力場演化;(de) 不同類型界面附近的位錯分布。

3. (a-f) 分子動力學模擬三種不同界面中氦的演化過程(g) 氦濃度和氦團簇尺度分布統計(h-j) 氦離子輻照不同界面微觀結構氦泡形貌。

4. (a) 不同特征尺度的铌納米疊層材料力學性能;(b) 不同状態疊層材料超導金茲堡-朗道方程擬合對比

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