科学家的新发现，为核反应堆，核材料涂层提供了新方法

Posted 2023-04-15

参考技术A 科学家发现了一种包覆核材料的新方法，能够尽量减少使用高浓缩铀的努力。在运行中的核反应堆内部，环境是极端的，因为反应堆组件暴露在强烈辐射、超高热量以及化学反应冷却剂的组合中。这就是为什么，为了安全地运行反应堆，科学家需要用能够承受这些条件的材料来设计核反应堆组件。阿贡国家实验室的科学家取得了一项关键发现，采用了一种最初为半导体行业开发的技术，并将其用作包覆核材料的一种方式。

这种被称为原子层沉积(ALD)的技术，形成了保护核燃料和材料免受反应堆恶劣环境直接暴露的新方法的基础。原子层沉积，能让研究人员在表面上原子沉积特定材料的薄膜。通过建立这些层，阿贡国家实验室的科学家可以形成具有一组特定性能的化学精确涂层。燃料开发和鉴定小组经理阿贡国家实验室核工程师Abdellatif Yacout说：我们正在开创将原子层沉积用于核应用的先锋。阿贡国家实验室在技术方面的专家，由Argonne杰出的研究员Michael Pellin领导，在这些进步中发挥了重要作用。

在一组实验中，阿贡国家实验室的科学家使用原子层沉积直接在低浓缩铀-钼(U-Mo)粉末上沉积氮化锆(ZrN)作为涂层。涂层足够薄，能让中子穿透，同时保护燃料不被降解，通常与研究反应堆燃料系统的主要成分铝(Al)相互作用。为了研究新开发的ZrN涂层稳定性及其与铝的相互作用，科学家在阿贡国家实验室的Tandem Linac Accelerator System(ATLAS)设施上，使用重离子(以模拟裂变碎片的损伤)进行了多次原位辐照研究。

重新设计核燃料涂层的这项具体工作支持世界各地使用高浓缩铀(HEU)高功率研究反应堆转换为使用低浓缩铀(LEU)燃料的努力，以支持最小化高浓缩铀的国家政策。另外两组涉及ALD的实验围绕包层进行，包层是将燃料成分封装在核反应堆内部的结构材料。来自纳米层压涂层的高抗微动性能，该项目使用ALD来设计能够抵抗微动磨损的覆层材料，微动磨损是反应堆组件中导致机械磨损的一种行为。抵抗微动的一种方法是在涂层表面涂覆以增加其硬度。

用ALD涂层(例如，氧化铝[Al2O3])进行改性并随后进行其他处理的覆层表面，将表面硬度提高了近100倍。耐高温抗氧化性，该项目围绕开发包层涂层，以便它们能够在严重事故条件下更好地承受反应堆内部的高温。该研究团队开发了一种独特的陶瓷复合材料，这种材料可以在低温下制造，但其微观结构非常紧凑。开发这种陶瓷基复合涂层是一个两步的过程，它包括将电泳沉积(EPD)(一种快速低温沉积方法)与ALD相结合。通过这种方式，科学家能够快速创建一种厚的陶瓷复合涂层，该涂层既能附着又符合覆层表面。

阿贡国家实验室的研究员Sumit Bhattacharya说：EPD和ALD本身作为一个沉积过程都不会产生足以保护覆层的涂层，尽管ALD产生了无针孔、致密和附着力的涂层，但沉积速度相对较慢。为了沉积所需的厚度，需要几天甚至几周的时间。同时，如果只使用EPD，沉积层是高度多孔的，需要高温烧结才能致密并附着在基板上。这并不理想，因为包层材料是温度敏感的，将会失去所有的机械性能。使用双重沉积技术的一个主要优点在于能够大大降低生产粘合涂层所需温度。

通常，为了开发致密的陶瓷复合材料，高温烧结步骤是必要的。然而，由于覆层是由金属制成，典型的烧结会导致基材熔化或失去强度。不仅不能实现烧结，而且试图保护的主要基板也会被破坏。EPD/ALD技术的组合可在仅300摄氏度左右温度下获得粘结涂层，远低于此类复合材料所需的常规烧结温度。与其他沉积技术(如化学气相沉积(CVD)相比，使用ALD提供了另一个重要的好处。尽管CVD沉积速度比ALD快，但这样做会阻塞部分需要填充的通道。

结果，它在复合材料内部留下了很大的孔隙率，只有ALD才能确保所有的角落和裂缝。为了测试涂层能否承受反应堆辐射环境，研究人员在阿贡国家实验室的中压电子显微镜设备(IVEM)中，用不同温度的重离子轰击涂层。之后，样品保持完好，科学家发现纳米粉末和覆盖的ALD涂层没有明显变化。阿贡国家实验室在用于核应用ALD方面的研究得到了几个组织的资助，包括DOE核能办公室、DOE国家核安全管理局、Westinghouse和Argonne的实验室指导研究和开发基金。

科技新发现：新型高熵合金的诞生！

　　随着聚变反应堆领域和航空航天技术的进步，针对高性能低温材料的需求越来越迫切。高熵合金作为多主元合金的代名词，近些年引起研究人员的广泛关注。香港城市大学（香港城大）领导的一支研究团队便研发出一种新型高熵合金，攻破了合金的强度和延展性不相容的这个难题，这种高熵合金强度较高，为未来研发创新的结构材料扫除障碍。

　　高熵合金（High-entropy alloys）简称HEA，是由五种或五种以上等量或大约等量金属形成的合金。由于高熵合金可能具有许多理想的性质，因此在材料科学及工程上备受重视，并得到广泛研究。一直以来，金属材料强度与延展性难以兼得。在保证塑性的前提下，提高金属合金的强度并不容易。新型高熵合金能夠较好的避免了这个问题，而且高熵合金强度得以提高，这背后其實藏着香港城市大学（香港城大）與各方诸多研究者的默默努力。

 

 

　　在合金的强度和延展性不相容的这个问题上，由香港城大材料科学及工程学系、大学杰出教授刘锦川教授领导的一项研究，早前取得了突破，为这个纠结了数十年的难题找到解决方法：透过纳米级颗粒大量沉淀，制造坚固且具有延展性的高熵合金。以创新方法制成的新型高熵合金Al7Ti7，解决了强度和延展性不相容这个棘手难题。

　　高熵合金是一种“超级固溶体”，因此固溶强化效应会异常强烈，在合金为结晶相时,大量的固溶原子能够阻碍位错的运动，从而形成高强高硬固体。高熵合金组元众多，扩散时各元素配合扩散，使新相难以长大，因此常见纳米析出相，又能进一步增强合金的强度。不过，大多数合金都有同一样的关键问题：合金的强度越高，延展性和韧性越小，坚固的合金较难变形或拉伸而不断裂。因此找出「强度和延展性兼具」的平衡，成为解决问题的关键所在。

　　由香港城大材料科学与工程学系刘锦川教授领导的一项研究，早前在頂尖學術期刊《科學》上便發表研究成果，指出透过纳米级颗粒大量沉淀，成功制造了既坚固、又具延展性的高熵合金，文章題為「多組元金屬間納米顆粒和複合合金的優越機械性能」（Multicomponent intermetallic nanoparticles and superb mechanical behaviors of complex alloys）。

　　大部分常见的合金由一至两种主要元素，如镍和铁来制造。在研究中，刘教授及他的团队发现通过在铁钴镍合金中加入铝和钛，形成大量沉淀颗粒，合金的强度和延展性都显著提高，解决了结构材料中两者难以兼得的关键问题。

　　刘教授说︰“我们制造了一种名为Al7Ti7 （(FeCoNi)86Al7Ti7）的新型高熵合金，这种新型合金在室温下强度达1.5 GPa（gigapascal），延展性达50%。透过纳米颗粒的强化，它能比以铁、钴、镍（FeCoNi）制成的合金坚固5倍。”也就是说高熵合金强度得到了较大的提高。

 

　　另一方面，由于高强度合金在塑性变形的过程中通常出现不稳定的状况，即颈缩（necking）问题，也就是说，当合金受高拉伸力时，其变形会变得不稳定，很容易出现颈缩断裂（局部变形），只能作有限的均匀伸长。有鉴于此，研究团队进一步发现，加入「多组元金属间纳米颗粒」，即由不同元素原子组成的复合纳米颗粒，可以改善变形的不稳定性，大大提升合金的均匀变形能力。

 

 

　　而在解决「变形和脆化」问题上，团队则更进一步，找出了由镍、钴、铁、钛和铝原子组成的复合纳米颗粒的理想配方，并用铁和钴原子取代部分镍，有助降低「价电子」（valence electron）的密度，增强新合金的延展性；另一方面，用钛取代部分铝，能够大大减少空气中水分导致新合金出现脆化的机会。

 

　　这项研究为制造超级合金开拓了一种创新的设计策略，通过采用多组元纳米颗粒来强化复合合金，从而让新型高熵合金在室温和高温下达至优越的机械性能。

 

　　刘教授相信，采用这种创新策略制造的新型高熵合金，可以使高熵合金强度大大增加，并且在摄氏零下200度低温至1,000度高温的温度范围内都表现出良好性能，这些新合金将为进一步研发低温设备、飞机和航空高温系统以及其他领域的结构用途奠定稳健的基础！