在核聚变反应堆中，材料将面临极端的辐照环境，尤其是由核反应生成的氦（He）原子会对结构材料的稳定性产生显著影响。氦原子在金属合金中溶解度极低，会与辐照产生的空位结合，形成氦气泡。这些气泡会导致材料肿胀、性能退化，最终可能导致材料失效。因此，提升结构材料的抗辐照性能，特别是对氦气泡的抑制能力，是核聚变材料研究中的重要课题。近年来，界面工程被广泛应用于设计抗辐照材料，其中纳米晶化和纳米析出物的引入被证明能够有效抑制气泡的形成和长大。然而，目前大多数研究集中于半共格或非共格界面，对于全共格纳米析出物在气泡演化中的作用，仍缺乏系统性的研究。

近日，付恩刚团队在国际知名期刊《Journal of Materials Science & Technology》上发表了题为《The effect of chemical ordering and coherent nanoprecipitates on bubble evolution in binary-phase vanadium alloys after He ion irradiation》的研究论文。该研究系统探讨了在氦离子辐照条件下，二元相结构钒基合金中不同化学结构对气泡演化的影响，揭示了化学有序和无序结构在提升材料抗辐照性能中的关键作用。聚焦于V34Ti25Cr10Ni30Pd1合金，这种多元相合金由化学无序的VCr基体和化学有序的B2-TiNi基体组成。通过400 keV的氦离子辐照实验，研究团队发现，化学无序的VCr相在抑制氦气泡形成方面表现出优异的效果，气泡密度更高、尺寸更小，而化学有序的TiNi相中则形成了较大且呈多面体形状的氦气泡。研究表明，全共格纳米析出物界面对氦气泡的抑制作用较弱，未能有效吸收辐照产生的缺陷。相反，非共格界面则表现出显著的气泡抑制效果。进一步通过密度泛函理论（DFT）计算，解释了不同相结构对气泡演化的影响。结果表明，TiNi相中由于Ti和Ni元素具有较低的空位形成能，导致氦气泡在该相中的聚集和生长更为显著；而VCr相中较高的空位形成能有效地减少了气泡的增长，表现出更好的抗辐照性能。本研究的发现为开发抗辐照的新型结构材料提供了宝贵的理论依据和实验支持，尤其对未来核聚变反应堆材料的设计具有重要的参考价值。

图1：双相V34Ti25Cr10Ni30Pd1合金的微观形貌 (a) SEM 表面形貌和相应的 EDS能谱，显示该合金呈富VCr相和富TiNi相组成的典型二相结构；(b) TiNi相的TEM图像及其纳米沉淀物的EDS能谱，表明存在大量 VCr 纳米析出相；(c) VCr相的TEM图像及其纳米析出相的EDS能谱，揭示了大量的 TiNi 纳米析出相

图2：辐照后的双相合金的氦泡微观形貌 (a) VCr 相和 TiNi 相的TEM图像；(b)  VCr 相和 TiNi纳米析出相的TEM图像；(c) TiNi 相和 VCr NPs的TEM图像。(d-f) 分别为对应 (a-c) 的STEM HADDF图像

北京大学物理学院博士生刘星为第一作者；北京大学物理学院付恩刚教授、哈尔滨工业大学特殊物质科学院李瑨教授，北京大学物理学院博士吴泽峰为论文共同通讯作者；本文同时得到厦门大学400 kV离子注入机实验室，北京大学电镜中心和北京大学核技术应用实验室的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.05.074。