熵稳定化阻氚涂层材料的设计及其辐照效应研究

This project is seeking to further the basic understanding and development of a new entropy-stabilized tritium permeation barrier (TPB) coating to obtain enhanced performance or novel multi-functionality. Our works aim to improve service performance of the TPB coatings by designing high-entropy oxides and interfaces of high-entropy alloys. The lattice distortion and sluggish diffusion of the high-entropy oxides can enhance radiation tolerance of the TPB coatings, while the interfaces of high entropy alloys can alleviate nucleation and propagation of cracks in the TPB coatings. The major obstacle to progress in this scientific area is a lack of understanding of the relationship between nuclear service environment and failure of the entropy-stabilized TPB coatings. Therefore, the efforts will be enforced on studying the impacts of microstructure evolution of the high-entropy oxides and high-entropy alloys interfaces on bond strength and mechanical properties of the entropy-stabilized TPB coatings, and discovering the mechanisms of resisting ions permeation under the synergy between irradiation and high temperature during materials serving. A relationship between materials designing, microstructure evolution and service performance of the entropy-stabilized TPB coatings will be also established. The insights obtained here will be used to present design rules for high stability and high performance of the TPB coatings. The fundamental knowledge generated will be broadly applicable to other nanometer scale material systems subjected to extreme service environment.

阻氚涂层研究是当前国内外热核聚变材料研究中的热点和难点问题。本项目针对阻氚涂层服役环境苛刻多变，失效成因复杂的特点，提出用“熵稳定化高熵氧化物/高熵合金膜基融合界面”形成阻氚涂层的研究思路。利用高熵材料特有的晶格扭曲效应和迟滞扩散效应，发挥膜基融合界面的结构优势，提升阻氚涂层的服役效能。通过研究熵稳定化阻氚涂层体系在异质约束和典型服役条件下的失效特征，揭示高熵氧化物涂层、高熵合金膜基融合界面在辐照和温度的协同作用下，微结构的演变对膜基结合强度、涂层力学性能等的影响机制，以及对涂层阻挡功能实现的作用机制，较完整地建立熵稳定化阻氚涂层体系服役效能的评价体系，并最终提出高性能、高稳定的阻氚涂层体系的设计思想和实现途径。项目研究的学术思想及研究方法有创新，研究成果具有较强的科学示范意义和普适性。

为开发新型的阻氚涂层，本项目创新地将熵稳定化材料（高熵氧化物）设计概念引入阻氚涂层，研究了辐照对涂层微结构和力学性能的影响，重点研究了辐照致点缺陷的迁移行为、辐照致点缺陷与原子扩散和晶内缺陷的交互行为，以及高熵氧化物材料的功能性设计，为新型高熵阻氚涂层的开发、设计与制备提供理论依据。主要研究成果包括：.1. 发现纳米阻氚涂层的氦累积损伤行为不但与晶粒大小、晶界数量有关，还很大程度上取决于晶内缺陷的类型。层错可以促进氦在晶界聚集，缓解涂层的氦累积损伤，而空位型位错环则会捕捉氦原子，使其在晶内聚集并快速扩展，形成微裂纹，加剧涂层的辐照损伤。该工作揭示了纳米材料中晶内缺陷类型对嬗变产物的累积行为的重要影响，对耐辐照纳米阻氚涂层的设计及其使用过程中的风险评估有重要指导意义。.2. 研究了高熵氧化物辐照损伤扩散效应。发现辐照后的薄膜整体都有大量He泡并在平行于离子入射方向的晶界处呈条状聚集，辐照致缺陷向未直接辐照区域大量扩散，辐照损伤扩散严重降低相结构稳定性，导致薄膜发生相分离以及元素偏析。该研究有助于理解辐照损伤扩散下的失效行为，对耐辐照材料的结构设计和失效分析有重要指导意义。.3. 研究了具有迟滞扩散性能的高熵合金对辐照效应的响应行为。发现高通量辐照导致高熵合金元素偏析严重，其中空位型缺陷对元素偏析行为有重要影响，溶质原子半径越大，其扩散速度越快。该研究有助于理解高通量辐照下材料的失效行为，对耐辐照材料的元素、组元选择有重要指导意义。.4. 研究了晶界He泡对材料力学性能的影响，发现含He材料的力学性能由材料本身的性质、He泡与主导材料塑性变形的缺陷的相互作用共同决定。一方面，晶界He泡可以破坏化学键，形成低结合能晶界，同时减少了抵抗机械应力的体积；另一方面，晶界He泡的形成，可促进局部应力向邻近区域传递，加速原子或空位的扩散，导致总应变和应力应变指数的增加，材料的抗蠕变性能也会减弱。