氦离子辐照对高熵(Hf,Ta,Ti,V,Zr)-氮化物、碳化物和二硼化物薄膜力学性能影响的对比研究及其在核聚变材料中的应用价值

为解决核聚变反应堆中第一壁材料在极端辐照环境下的性能退化问题，研究人员通过磁控溅射技术制备了高熵(Hf,Ta,Ti,V,Zr)-氮化物、碳化物和二硼化物薄膜，并系统研究了氦离子辐照对其力学性能的影响。研究发现，所有薄膜均保持稳定的单相结构，未发生非晶化；其中二硼化物表现出最高的断裂韧性（3.47±0.14 MPa√m）和抗辐照性能，而碳化物因较低的断裂韧性（2.48±0.07 MPa√m）表现出最显著的力学性能退化。该研究为开发耐辐照等离子体 facing 组件提供了重要理论依据。

　　

在能源需求持续增长和碳排放压力加大的背景下，核聚变能被视为未来清洁能源的重要选择。然而，聚变反应堆中第一壁材料需要承受高能中子及氦离子(He)的持续轰击，这会导致材料肿胀、硬化和脆化等问题。传统材料如钨(W)虽具有高熔点等优点，但在辐照环境下易形成氦泡导致性能急剧下降。高熵合金(HEAs)和高熵陶瓷(HECs)因其独特的"高混合熵"效应和晶格畸变特性，展现出优异的抗辐照性能，成为解决这一难题的新思路。

为系统评估高熵材料在聚变环境中的应用潜力，国外研究团队通过磁控溅射技术制备了(Hf,Ta,Ti,V,Zr)-氮化物(N)、碳化物(C)和二硼化物(B₂
)薄膜，并利用氦离子显微镜(HIM)进行局部辐照实验。研究采用X射线衍射(XRD)、卢瑟福背散射谱(RBS)、正电子湮灭谱(PAS)、扫描透射电镜(STEM)等表征手段，结合纳米压痕、微柱压缩和悬臂梁断裂测试等力学性能评价方法，系统研究了辐照损伤机制与材料性能的关联性。

3. 结果与讨论
3.1 微观结构表征
XRD分析显示所有薄膜均保持稳定的单相结构：氮化物和碳化物为面心立方(fcc)结构，二硼化物为六方(hcp)结构。RBS和EDS证实了元素均匀分布，其中二硼化物表现出最优的化学计量比(B/M=1.52)。正电子湮灭谱显示碳化物具有最高的空位缺陷浓度，这与其后续辐照中更显著的性能退化相关。

3.2 辐照诱导肿胀行为
在5×10¹⁷
ions/cm²
剂量下，碳化物表现出与钨相当的体积膨胀(15.1±0.8%)，而氮化物(10.7±1.2%)和二硼化物(11.7±0.5%)肿胀程度较低。STEM观察发现氮化物中氦泡沿晶界分布形成逃逸通道，而二硼化物中氦泡分布更均匀且尺寸更小，这与其精细的纳米晶结构(晶粒尺寸<100nm)密切相关。

3.3 力学性能演变
初始硬度测试显示二硼化物具有最高硬度(38.9±0.7 GPa)，氮化物(26.9±1.3 GPa)和碳化物(32.4±1.5 GPa)次之。辐照后碳化物硬度下降最显著(ΔH=-38±7%)，与其低断裂韧性(2.48±0.07 MPa√m)导致的微裂纹扩展有关。微柱压缩实验证实二硼化物在辐照后出现反常的塑性提升，这归因于微孔洞的协调变形机制。

3.4 断裂行为分析
悬臂梁测试揭示二硼化物具有最高的断裂韧性(3.47±0.14 MPa√m)，这解释了其在辐照环境下性能稳定性最优的原因。相比之下，碳化物中观察到的沿晶断裂和空洞连接机制加速了其力学性能退化。

4. 结论与展望
该研究首次系统比较了高熵氮化物、碳化物和二硼化物薄膜的辐照响应行为，揭示了微观结构(特别是晶粒尺寸和缺陷密度)与辐照损伤抗性的内在关联。二硼化物因其独特的hcp结构、精细纳米晶组织和优异的断裂韧性，展现出作为聚变反应堆等离子体 facing 组件涂层材料的巨大潜力。研究同时指出，通过调控高熵陶瓷的金属亚晶格组成和工艺参数，可进一步优化其抗辐照性能，这为下一代核材料设计提供了重要指导。论文发表在《Materials》期刊，为聚变堆材料开发提供了实验和理论基础。