北京大學(xué)物理學(xué)院重離子物理研究所、核物理與核技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王晨旭團(tuán)隊(duì)在核用復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷材料的輻照相變機(jī)制研究上取得重要進(jìn)展。作者利用原位輻照方法證實(shí)了多元層狀陶瓷材料MAX相中輻照誘導(dǎo)的不同多級輻照相變路徑，并通過第一性原理計(jì)算闡明了其損傷機(jī)制。該研究為MAX相等復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷的輻照多級相變機(jī)制研究提出了新思路和判據(jù)。相關(guān)成果于2025年2月12日以“MAX相多級相變路徑”（Multi-stage Phase Transformation Pathways in MAX Phases）為題在線發(fā)表于《自然?通訊》（Nature Communications）上。
MAX相是一類兼具金屬與陶瓷特性的多元層狀結(jié)構(gòu)陶瓷材料，在核反應(yīng)堆包殼材料和高溫結(jié)構(gòu)部件等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。近年來，其在輻照環(huán)境下的損傷效應(yīng)及結(jié)構(gòu)演化機(jī)制得到了廣泛關(guān)注（Nature Communications 10 (2019) 1；Appl. Phys. Rev. 7 (2020) 041311等）。然而，此前研究主要聚焦于材料的初始相結(jié)構(gòu)，而忽略了中間相在相變路徑調(diào)控中的關(guān)鍵作用，難以建立普適性的預(yù)測模型，這極大地限制了對MAX相輻照機(jī)制的全面理解及其抗輻照性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。王晨旭課題組以輻照中間γ相為切入點(diǎn)，通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算，系統(tǒng)構(gòu)建了多級相變路徑與材料組分之間的依賴關(guān)系，并提出了一種新的MAX相輻照相變路徑判據(jù)。這一研究成果不僅有助于完善MAX相在復(fù)雜輻照環(huán)境下的演化機(jī)制理解，還為未來MAX相材料的抗輻照性能優(yōu)化提供了理論指導(dǎo)。
王晨旭課題組結(jié)合原位離子輻照和透射電子顯微鏡，在原子尺度揭示了三種典型MAX相（Cr?AlC、V?AlC、Nb?AlC）的離子輻照誘導(dǎo)多級相變路徑的差異。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，V?AlC和Nb?AlC遵循“hex→γ→fcc”的多級相變路徑，而Cr?AlC則直接由γ相非晶化（圖1）。同時，基于輻照中間γ相的同步剪切機(jī)制模型，通過第一性原理計(jì)算，分析了γ→fcc相變相關(guān)能量學(xué)和結(jié)構(gòu)性質(zhì)，提出了輻照中間γ相的晶格畸變程度與鍵合共價性兩個關(guān)鍵因素，決定了其相變路徑。其中，γ-Cr?AlC相較大的晶格畸變和鍵合共價性強(qiáng)度導(dǎo)致材料具有超高的堆垛層錯能壘，從而抑制了層錯形成及γ→fcc相的相變過程，導(dǎo)致直接非晶化。
圖1. 800 keV Kr2+原位輻照下Cr?AlC (a-g)、V?AlC (h-n)、Nb?AlC (o-u)三種MAX相中不同的多級相變路徑
在此基礎(chǔ)上，建立了基于構(gòu)成元素原子半徑和電負(fù)性差值的推廣判據(jù)，可用以評估和預(yù)測不同MAX相的相變行為（圖2）。該判據(jù)亦可推廣至多種復(fù)雜結(jié)構(gòu)陶瓷材料體系的輻照相變研究中，例如燒綠石、缺氧螢石結(jié)構(gòu)材料等，推翻了此前部分研究中，基于初始相結(jié)構(gòu)研究輻照損傷效應(yīng)的依賴性路徑。上述成果為理解MAX相及相關(guān)復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料中成分與多級相變行為之間的關(guān)系提供了新視角。
圖2.不同MAX相（γ中間相）堆垛層錯能壘與其原子半徑差值、電負(fù)性差值兩個指標(biāo)的關(guān)聯(lián)規(guī)律
北京大學(xué)物理學(xué)院2024屆博士畢業(yè)生趙雙（現(xiàn)就職于深圳平湖實(shí)驗(yàn)室）為本論文的第一作者；王晨旭研究員為論文的通訊作者。該工作得到了物理學(xué)院王宇鋼教授、寧波材料所黃慶研究員、廈門大學(xué)曹留烜副教授、美國密歇根大學(xué)高飛教授、美國斯坦福大學(xué)的Rodney Ewing教授和Cameron Tracy博士的指導(dǎo)和幫助。王晨旭課題組的肖昊、黎雨欣、張子駿等博士生亦對該工作做出了貢獻(xiàn)。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家磁約束核聚變發(fā)展研究專項(xiàng)基金，北京大學(xué)電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室、浙江省數(shù)據(jù)驅(qū)動高安全能源材料及其應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的大力支持。
論文原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56921-8
來源：北京大學(xué)物理學(xué)院
原文鏈接：https://www.phy.pku.edu.cn/info/1031/10839.htm
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