反应堆核材料，在长期服役中会经历各种极端条件，导致性能下降甚至失效。设计能够在极端恶劣环境下消除辐照损伤的结构材料，是延长反应堆寿命以及开发下一代的聚变和裂变能源的一项长期而关键的挑战。其中，材料中引入界面是降低辐照损伤的有效策略和方法，探究不同类型和结构的界面在辐照下产生缺陷的规律，有利于理解和掌握界面消除缺陷的物理机制，从而指导设计和开发具有高抗辐照性能的核材料。

北京科技大学吕昭平教授团队合作发现，通过在超高强度钢中引入纳米共格析出物的局域原位动态有序-无序转变，可以实现极为优异的耐辐照性能和力学性能。相关研究成果以“Superior radiation tolerance via reversible disordering–ordering transition of coherent superlattices”为题发表在Nature Materials上。不同于以往的消除策略需借助错配界面吸收缺陷，从而导致低稳定性；这一新的抗辐照机制，通过引入纳米共格析出物（NPs），使得材料的抗辐照性能几乎不受辐照剂量影响，为研发耐强辐照、高强韧结构材料提供了新的思路。

耐辐照性

随着高温下辐照的增加，大多数金属材料在进入高稳态膨胀期（即每个原子位移dpa恒定膨胀率大于1% ）之前，都有一个膨胀潜伏期，它实际代表了材料的辐照耐受性。在 300-600°C 时，常见钢的膨胀潜伏期约为10-100 dpa，在小于 500 dpa 时可以观察到超过 10% 的空隙膨胀率。许多氧化物弥散强化 (ODS) 钢表现出更高的抗空隙膨胀性，即在 400–750 °C 下，潜伏期大于 100 dpa。然而，潜伏期过后，空隙膨胀随着 dpa 迅速增加。值得特别关注的是，含高密度Ni(Al,Fe) NPs的超晶格钢表现出非凡的耐辐照性能，400-600°C 时，在高达 2,350 dpa 的平均辐照损伤下，空隙膨胀为零，优于迄今为止研究的其他大多数钢材。

图一、含高密度Ni(Al,Fe) NPs的超晶格钢具有优良的耐辐照性。

微观结构变化

通过高角环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)，观察离子辐照下超晶格钢的微观结构变化。研究发现，无论辐照剂量和温度如何，都存在高密度的球形NPs，而没有观察到尖锐的界面和内部周期性强度分布，表明这些区域结构无序但富含高原子序数溶质，进一步推断NPs发生了辐照溶解。但同时，在高温（400-600 °C）辐照下，因其极低的相变势垒和短程溶质重排主导的动力学行为，辐照溶解诱导的富溶质区域也发生了重新排序即再沉淀，有利于维持高密度 NPs ，并且随着辐照增加而持续具有抗辐照性能。

图二、离子辐照下超晶格钢的微观结构变化。

NPs 析出动力学

在 500 °C 时效处理期间对固溶退火钢（不含NPs）进行XRD 测量，以理解超高密度共格有序析出行为。研究表明，析出过程以成核和界面扩散控制为主，从而形成快速析出。更重要的是，这种形成过程通常不具有很强的温度依赖性(如长程扩散)，通过增强溶质和缺陷的局域重组，持续湮灭辐照缺陷并稳定高密度析出相，甚至可能实现宽温度范围的析出。

图三、 热处理过程中 NPs 的动力学。