香港城大赵仕俊&美国爱达荷国家实验室 Zhang Yanwen团队《PMS》(IF=37.4): 高熵陶瓷辐照领域最新综述

【引言】

在当今全球能源危机日益严峻，追求碳中和成为全球共识的背景下，核能作为一种清洁、高效的能源形式，其开发利用显得尤为重要。作为核能系统中不可或缺的组成部分，陶瓷材料因其独特的高温性能、优异的耐腐蚀性能以及良好的辐照耐受性，广泛应用于核燃料、燃料颗粒涂层、结构材料以及核废料处理等多个领域。然而，尽管陶瓷材料在核能系统中扮演着至关重要的角色，现有的核用陶瓷材料仍面临许多挑战，特别是在辐照环境下的性能稳定性和耐腐蚀性方面，亟需通过新材料的开发来克服。

最近，高熵材料（HEMs）的概念为极端条件下材料的设计与开发带来了新的机遇。高熵材料通过混合五种或更多成分，以准等摩尔比例形成的构型熵显著贡献于材料的吉布斯自由能，从而展现出独特的物理、化学和机械性能。在这一广泛的材料类别中，高熵合金（HEAs）因其优异的辐照抵抗性、增强的机械强度以及显著的耐腐蚀性而被广泛研究。高熵陶瓷（HECs）作为高熵材料的一个新兴分支，由于其独特的组成和可调节的性质，为克服传统陶瓷的缺点提供了新的可能性。

近日，香港城市大学机械工程系的赵仕俊教授团队与美国爱荷华国家实验室的Zhang Yanwen教授团队合作在综述顶刊《Progress in materials science》上发表了“Irradiation performance of high entropy ceramics: A comprehensive comparison with conventional ceramics and high entropy alloys”一文，旨在系统回顾和总结HECs在辐照响应方面的最新进展，包括高熵碳化物、高熵焦磷酸盐氧化物、高熵MAX相和高熵氮化物薄膜等。通过与相应的单组分陶瓷对比，本文深入探讨了化学复杂性对HECs辐照性能的影响，并将HECs与广泛研究的HEAs在辐照响应方面的相似性和差异进行了讨论。文章最后，作者展望了辐照耐受性HECs未来的发展前景。

【图文导读】

图1：材料中辐照损伤过程示意图。

图2：化学复杂性对合金辐照后空洞尺寸的影响。

图3：化学复杂性对高熵合金抗辐照性能提升的有益影响归纳：（a） 化学复杂性带来更低的热导率、更广泛分布的缺陷形成能与迁移能，以及更为粗糙的势能面。（b） 在原子层面，这些因素共同促进了缺陷的复合，有效抑制了团簇的生长和氦泡的形成，减轻了辐照诱导的偏聚现象。（c） 在宏观尺度上，这些原子级的现象最终促使高熵合金在辐照环境下展现出更高的相稳定性、较小的体积膨胀、降低的硬度增幅以及减缓的硬化速率。

图4：ZrC与高熵陶瓷辐照下的性能对比。

图5：化学复杂性对辐照下高熵陶瓷性能的作用总结。（a） 化学复杂性导致MAX相和烧绿石相比某些单组分陶瓷具有更低的反位形成能，也引起高熵陶瓷中缺陷形成能和迁移能的广泛分布，以及粗糙的势能面。（b） 在原子水平上，这些效应促进缺陷复合，抑制团簇生长，阻止氦泡形成，并减少辐照诱导偏聚现象RIS。（c） 在宏观层面上，这些原子级现象最终导致相稳定性提高，体积膨胀减少，硬度增量减小，并缓解辐照下的损伤演变。

【小结】

高熵陶瓷由于其独特的化学复杂性和结构多样性，在抵御辐照损伤方面展现出极大的潜力。近年来的研究发现，与传统陶瓷相比，某些高熵陶瓷在辐照后表现出更少的缺陷、更小的缺陷团簇，更低的体积膨胀以及更好的想稳定性。这些性能的提升归功于高熵效应、晶格畸变、迟滞扩散以及“鸡尾酒”效应，这些机制共同促进了缺陷复合和抑制了缺陷团簇的聚集与生长。尽管如此，目前对于高熵陶瓷中化学无序如何具体影响其辐照响应的机制仍然知之甚少，这一领域亟需深入研究和探讨。未来的研究方向需聚焦于系统的高通量实验、多尺度建模以及机器学习技术的应用，旨在全面理解高熵陶瓷的辐照性能，为设计更优异的抗辐照陶瓷提供理论基础和实验指导。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101250

【招生】

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