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作者及机构
本研究由Matthew J Lloyd（牛津大学材料系、英国原子能管理局、伯明翰大学冶金与材料学院）领衔，合作者包括Jack Haley、Bethany Jim、Robert Abernathy等来自牛津大学、英国原子能管理局、美国桑迪亚国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室等机构的学者。研究成果发表于期刊*Materialia*第33卷（2024年），文章编号101991，在线发布于2023年12月20日。

学术背景
研究聚焦于核聚变反应堆第一壁材料的关键候选者——钨（Tungsten, W）在辐照环境下的微观结构演变与力学性能变化。核聚变环境中，钨会遭受中子辐照诱发嬗变反应（transmutation），生成铼（Re）和锇（Os）等元素，形成第二相团簇或空洞（voids），导致材料脆化。然而，传统中子辐照实验成本高且周期长，而离子辐照（ion irradiation）作为替代手段的等效性尚不明确。因此，本研究旨在通过对比中子辐照与自离子辐照（self-ion irradiation）对钨的微观结构和力学性能的影响，揭示两种辐照方式的差异机制，并为材料筛选提供理论依据。

研究流程

1. 材料制备与辐照实验

   • 研究对象：采用单晶纯钨（SC W）及三种合金：W-1.4Re、W-1.4Re-0.1Os和W-2Re（成分单位为原子百分比）。合金通过电弧熔炼（arc melting）制备，并经机械抛光至表面无应力状态。
     
   • 中子辐照：在荷兰高通量反应堆（HFR）中进行，辐照剂量1.67 dpa（displacement per atom），温度800°C，辐照时间208天。通过FISPACT-II模拟计算嬗变产物浓度，并通过原子探针断层扫描（APT）验证实际成分。
     
   • 离子辐照：分别在法国JANNUS设施（24 MeV W⁹⁺离子）和美国桑迪亚国家实验室（8 MeV W²⁺离子）进行，峰值剂量1.7 dpa，温度800–900°C。通过SRIM软件模拟损伤分布，并采用铝降能片（degrader foils）实现剂量平台区。
     

2. 微观结构表征

   • APT分析：使用聚焦离子束（FIB）制备针状样品，通过Cameca LEAP 5000-XR原子探针获得三维成分分布。采用最大分离法（MSM）量化团簇成分，参数优化基于随机空间分布对比。
     
   • 透射电镜（TEM）：在牛津大学David Cockayne中心完成，通过欠/过焦技术（under/over-focus imaging）观察空洞，并结合电子能量损失谱（EELS）测量样品厚度以计算空洞体积分数。
     

3. 力学性能测试

   • 纳米压痕（Nanoindentation）：使用G200纳米压痕仪，连续刚度测量（CSM）模式，压入深度2000 nm，应变速率0.05 s⁻¹。硬化值（hardening）取500 nm深度处的硬度差，以排除基体效应。
     

4. 数据分析

   • 通过APT和TEM数据统计团簇尺寸、成分及空洞分布，结合SRIM和FISPACT模拟验证剂量与嬗变率。纳米压痕数据采用分散障碍硬化模型（DBH模型）解释硬化机制。
     

主要结果

1. 嬗变产物分布

   • 中子辐照后，APT检测到1.26 at.% Re和0.08 at.% Os，与模拟值（1.4 at.% Re、0.1 at.% Os）吻合。同位素分析显示，¹⁸⁷Re占比91.6%（自然丰度为62.2%），¹⁸⁸Os占比99.6%（自然丰度13.3%），证实嬗变路径依赖中子能谱。
     
   • 离子辐照样品中，Os优先形成小团簇（半径约1.6 nm），而Re团簇尺寸更大但浓度较低（<5 at.%）。中子辐照则形成核壳结构团簇：高浓度Re/Os核心（>50 at.%）包裹弥散Re云（图5-6）。
     

2. 空洞形成

   • 中子辐照产生5–10 nm大空洞，体积分数显著高于离子辐照样品（1–2 nm）。TEM显示离子辐照空洞密度与剂量分布正相关（图10），但APT未检测到轨迹畸变，表明其尺寸过小。
     

3. 辐照硬化

   • 中子辐照硬化值最高（2.7 GPa），W-1.4Re和W-1.4Re-0.1Os离子辐照样品分别为1.6 GPa和0.6 GPa（图3）。DBH模型表明，大空洞和高浓度团簇是硬化主因。
     

4. Os的抑制作用

   • 在W-1.4Re-0.1Os中，Os抑制Re团簇形成（图7），但离子辐照下Os团簇的硬化贡献低于中子辐照中的Re/Os复合团簇。
     

结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了中子与离子辐照的差异机制：中子辐照因嬗变反应和低剂量率（~10⁻⁸ dpa/s）促进大尺寸缺陷形成，而离子辐照的高剂量率（~10⁻⁴ dpa/s）和弹道溶解（ballistic dissolution）抑制团簇生长。
- 提出Os通过强空位-溶质相互作用（vacancy-solute binding）调控Re扩散，为合金设计提供新思路。

1. 应用价值：
   
   • 指出离子辐照可作为筛选材料的快速手段，但需谨慎评估其与中子辐照的等效性，尤其在高温高剂量条件下。
     

研究亮点
1. 创新方法：首次结合APT同位素分析与FISPACT模拟，精确量化嬗变产物分布。
2. 关键发现：明确Os在抑制Re团簇中的作用，并建立团簇成分-硬化关系的定量模型（图7线性拟合：x_Re = 7.1x_Os + 0.045）。
3. 跨尺度表征：通过关联纳米压痕与TEM/APT数据，实现从原子尺度到力学性能的多尺度验证。

其他价值
研究还讨论了位移阈值能量（Ed）选择对SRIM计算的影响（表2），建议统一采用55 eV以兼容中子辐照数据，为后续实验提供标准化参考。