University of Tennessee美国田纳西大学橡树岭课题研究

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• 2022-11-30
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University of Tennessee美国田纳西大学橡树岭课题研究

长期以来在合金发展的过程中，人们一直致力于对复杂材料中先进结构的研究和开发。在核反应堆材料的研发中，改善辐照损伤或增加金属强度多依赖于低浓度掺杂或结合纳米结构等，以减少或抑制缺陷的发展来满足合金性能优化和对材料的要求。与传统方法相比，最近多组分固溶体合金(complex concentrated alloys,CSAs)的研发，包括中熵和高熵合金，取得了很多的进步，极大地扩展了新型合金的可能性。

在多组分固溶体合金(CSAs)中，可利用元素的多样性进行化学结构的调节，进以改变和控制原子和电子性能。可调电子结构可以改变能量耗散的有效性。可调的化学结构复杂性也可以改变原子的能量传输或散射机制。化学结构随机性的程度主要取决于特定的合金元素，而不是合金元素种类的数量。文章回顾了文献报道中的现有知识。建立在合金的传统知识上，这篇综述建强调了通过调整化学元素组合来控制结构合金中的缺陷性能以及增强防辐照损伤性能。

美国橡树岭国家实验室课题组和美国田纳西大学教授课题组在《Chemical Reviews》期刊上发表了题为“Tunable Chemical Disorder in Concentrated Alloys:Defect Physics and Radiation Performance的综述（DOI:10.1021/acs.chemrev.1c00387）,论文作者：zhangyanwen，Yuri N.Osetsky和William J.Weber。这项基础科研工作是由美国能源部资助的,能源前沿研究中心支持的。

文章讨论涉及多种过渡金属的价电子、原子级以及纳米级尺度上的不均匀性的协同效应。文章进一步讨论多组分固溶体合金中的能量耗散路径、缺陷特性和演变以及其结构稳定性，强调了这类型合金(CSAs)中的化学和物理的可调性。通过理解并利用电子和原子级别上的平衡和非平衡缺陷损伤过程以及在多个尺度上的微观结构的不均匀性，这篇综述描述了如何改变和控制缺陷的过程、讨论调整结构合金的耐辐照的机制和新策略。

展示在多组分固溶体合金(CSAs)中具有的不同化学复杂性、可调性。例如，面心立方合金可以由于不同的多样元素组成。可调化学复杂性可以在电子和原子尺度上（例如，Ni和两个合金中的电子结构和能量状态的示意图有效修改缺陷特性。体心立方（黄色）或面心立方（蓝色）多组分固溶体合金可以通过不同元素的选择用来形成（例如:元素周期表中的大量从早期过渡金属到晚期过渡金属元素）。

元素周期表中构成常见多组分固溶体合金的示意图。价电子数、原子体积和质量差异可以导致合金中不同的化学无序趋势。元素随机性以及价电子数、原子体积和质量差异对特定的面心立方（蓝色）或体心立方（黄色）多组分固溶体合金的形成的影响分别用高度和箭头表示。过渡金属Chromium（绿色）可以是面心或体心立方固溶体合金的成员。

由高能离子（红色球）和固溶体合金中原子（橙色球）产生的碰撞位移事件的示意图、以及元素周期表中构成多组分固溶体合金中常见的金属元素。两个代表性固溶体合金(fcc NiFeCoCrPd和bcc TiZrNbHf)的晶格奇变。

分子动力学(MD)模拟间隙原子簇在镍铁合金中的路径(a)镍800 K和(b)Ni90Fe10、(c)Ni65Fe35和(d)Ni50Fe50 1200 K。随铁浓度从10%增加到50%和化学无序趋势的升高，原子簇在镍铁合金中的轨迹和方向明显缩短和改变。局限的本地化运动促进间隙空位的重组促并进缺陷退火。

总扩散系数(D*)与铁浓度(CFe)在镍铁合金中关系。蒙特卡罗动力学模型(kMC)表明，随着缺陷形成能差异(αΔE)的减小，化学无序趋势参数(α)从严重缓慢扩散的高度随机状态(α=1.0)转变到理想的线性固溶体(α=0.0)。在理想的固溶体状态(α=0.0)中，其依赖性是线性的。而在高度随机状态(α=1.0)时，其依赖性是明显非线性的。这个例子表明，尽管最大的随机性组合发生在等原子成分，但最大的化学复杂性取决于局部电子、原子相互作用的合金化学物质的耦合强度，可能不一定会发生在等原子成分组成的条件下。

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展望与总结

在过去半个世纪中，很多的研究表明某些传统合金具有比较好的辐射性能。尽管合金特性在辐射下微观结构的逐渐演变是复杂电子和原子相互作用的结果，但在电子和原子水平上的基本机制尚不清楚。由多种元素组成的固溶体合金具有复杂的化学结构。可调化学复杂性可以在电子和原子尺度上有效修改缺陷特性。将某些过渡金属元素（例如价电子数的不同元素）或原子体积和原子质量差异很大的元素合金化，并改通过变它们的浓度，使研究人员能够从根本上了解合金的物理和化学的合金性质。尽管缺乏对非平衡状态下缺陷动力学和辐射性能的完整理解，但目前对固溶体合金的研究已经发现了从其电子和原子结构到能量耗散和各种缺陷演变的过程的联系。主要发现和新挑战总结如下。

•固溶体合金中原子排列的随机性导致与元素相关的局部电子和原子结构改变以及物理化学特性的改变。化学无序趋势的增长可以严重降低通过电子系统的能量耗散效率。

•固溶体合金中声子对热导率的贡献降低也是化学无序的结果；但相对的下降幅度不如电子系统的下降幅度大。化学复杂性改变了原子系统中能量传输的散射机制。

•化学无序的程度在很大程度上取决于特定的合金元素，而不是合金元素种类的多少。化学无序不会随着合金元素种类的增加而单调增加。使用不同的元素随机组合并在电子和原子水平上对化学无序度进行微调可以使合金更耐辐照。

•研究并理解电子和原子尺度上不同但相互作用（例如在电子水平上价电子数的差异；在原子水平上原子体积和原子质量的差异）将有助于改进在材料早期阶段的缺陷产生和能量传输的能力。

•尽管在目前的研究中可以调整化学复杂性以增强辐射性能，但对能量耗散和缺陷演变背后的相互作用的机制的了解仍是非常初步的。有待解决的关键问题包括：如何将局部缺陷特性整合到缺陷演化的全局行为中，以及如何控制原子运动以抑制辐照过程中的损伤积累。通过调整缺陷机制来了解化学无序对能量耗散和缺陷演化的影响将避免反复无效试验并有效增加合金开发目标性及高效性。

文章指出了解化学复杂性及其对动力学和动态过程影响的重要性，可以实现根据需要选择合适的金属元素和成分浓度进行合金化，可以预测发现具有不同寻常特性的新合金。