西安交大卢晨阳教授在揭示原子尺度核材料缺陷演化规律方面取得新进展

近日，西安交通大学卢晨阳教授在揭示原子尺度核材料缺陷演化规律方面取得进展，研究成果以《面心立方复杂固溶体合金中局部化学成分变化诱发的空洞或堆垛层错四面体的形成》（formation of voids or stacking-fault tetrahedra induced by local chemical variations in face-centered-cubic complex concentrated alloys）于1月6日发表在世界物理学高水平学术期刊《物理评论快报》（physical review letters）上。该工作由湖南大学、西安交通大学、密歇根大学等单位合作完成，卢晨阳教授是文章的共同第一作者。

先进核裂变与核聚变反应堆材料在服役过程中，需要承受高辐照剂量和高温极端环境，这会在材料内部产生大量微观缺陷，严重影响材料的力学性能和使用寿命。其中，空洞会导致材料体积肿胀，是核材料失效的重要原因；而另一类缺陷——堆垛层错四面体，则可能在一定程度上抑制材料性能退化。长期以来，科学界尚不清楚：在相同辐照条件下，为什么有些合金更容易形成空洞，而有些则更倾向形成堆垛层错四面体？

针对这一关键科学问题，该工作开发了一种基于缺陷演化速率的长时间动力学模拟（drld）方法，首次实现了具有可与实验对比的长时间尺度和原子级空间分辨信息的高效率模拟。研究团队基于drld方法，发现面心立方复杂固溶体合金在辐照条件下会通过“空位-四面体形成与解体两步演化”的物理机制形成空洞或堆垛层错四面体，其中局域化学成分变化对缺陷演化结果起着决定性作用。这一发现在原子尺度上统一解释了以往实验中关于不同元素对辐照缺陷“促进或抑制”作用的分歧现象，并与离子辐照实验结果一致，具有重要的普适意义。

该工作为通过精准成分设计与局域化学调控来主动抑制空洞肿胀从而提升材料的抗辐照性能提供了清晰的研究方向与设计准则。此外，研究团队开发的drld模拟方法拓展了目前多尺度模拟框架中的时间尺度和空间分辨率，可推广应用于相分离、蠕变等其它材料微结构演变的长程模拟，为评估和预测材料在极端环境下的长期服役性能提供了强大工具。

基于缺陷速率的长时间动力学方法得到的空位-四面体向空洞和堆垛层错四面体的演化过程

不同局域化学浓度调控下的空洞和堆垛层错四面体形成机制

该机制对不同化学成分材料空位团簇演化特征的适用性以及实验验证

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/p629-97jn