液态铅铋共晶合金(LBE)中纯铁表面氧化成核与生长的实验与模拟研究

为解决Gen-IV铅冷快堆结构材料在液态铅铋共晶(LBE)中的腐蚀机制问题，中国科学院研究人员通过分钟级短时氧控腐蚀实验、Fe-Pb-Bi-O机器学习势分子动力学模拟和第一性原理计算，揭示了bcc铁表面氧化初始阶段的吸附-成核-生长动态过程，发现550°C下氧化物无序性显著增强，且低氧环境(10?6wt%)仍能形成Fe2O3/Fe3O4混合相，为主动氧控防腐技术提供原子尺度理论支撑。

　　

在第四代核反应堆（Gen-IV）的发展浪潮中，铅冷快堆（LFR）因其优异的核废料嬗变能力和高热效率备受瞩目。然而，作为核心冷却剂的液态铅铋共晶合金（LBE）却像一把双刃剑——高温液态金属对结构材料的腐蚀问题始终是制约其工程应用的阿喀琉斯之踵。传统研究多聚焦于微米级厚氧化层的宏观生长，却对初始腐蚀这个"黑匣子"知之甚少。更棘手的是，液态金属的不透明性和污染性使得原位观测成为不可能完成的任务，而常规数百小时的腐蚀实验又像快进的电影，错过了最关键的"第一帧画面"。

中国科学院的研究团队另辟蹊径，构建了分钟级超短时氧控腐蚀实验与多尺度模拟的联合作战方案。他们自主研发的腐蚀装置能在350-550°C精确调控LBE中溶解氧浓度（10^?6-10^?4wt%），如同给腐蚀过程安装了"慢动作快门"。更巧妙的是，团队采用全球神经网络（G-NN）机器学习势桥接了第一性原理的精度与分子动力学的时空尺度，让Fe-Pb-Bi-O四元体系的原子舞蹈首次在纳米舞台上完整呈现。这项发表在《Surfaces and Interfaces》的研究，揭开了液态金属腐蚀初始阶段的神秘面纱。

关键技术包括：1）分钟级短时氧控LBE腐蚀实验（使用99.99at%α-Fe样品）；2）基于G-NN机器学习势的分子动力学模拟；3）第一性原理能量计算；4）振动抛光与激光清洗的样品预处理技术。

【Experimental details】
研究选用平均晶粒尺寸200μm的高纯α-Fe（99.99at%），通过振动抛光与激光清洗获得原子级清洁表面。腐蚀实验在自制装置中进行，温度控制精度达±1°C，氧浓度通过气相氧分压精确调控。

【Corrosion behavior in 350°C liquid LBE with 10^?6 wt% dissolved oxygen】
在350°C、10^?6wt%低氧环境下，前15分钟未见明显腐蚀，20分钟后出现纳米级氧化物岛（尺寸<100nm）。Inlens SEM显示这些岛状结构具有典型核-壳特征，EDX证实其富含Fe、O元素，暗示氧化优先起始于晶界等缺陷位置。

【Microstructural evolution in the initial corrosion stage】
分子动力学模拟捕捉到氧吸附的"三级跳"过程：单原子吸附→二维氧簇聚集→三维氧化物岛生长。特别在550°C时，氧化物呈现熔融石英状无序结构，而350°C下则形成规整的尖晶石构型。第一性原理计算揭示Pb/Bi原子会占据氧空位，形成Fe-O-Pb/Bi混合键合网络。

【Conclusions】
研究首次证实液态LBE中铁氧化的"三步走"机制：表面氧吸附→氧化物岛成核→三维生长。温度与氧浓度存在竞争效应：550°C高温或10^?6wt%低氧会促进Pb/Bi溶解抑制氧化，但意外的是，即便在10^?6wt%缺氧环境下仍能形成Fe₂O₃/Fe₃O₄混合相。该发现颠覆了传统认为防护性氧化膜仅在高氧条件下形成的认知，为主动氧控技术提供了新的理论靶点——通过调控初始氧化阶段的成核动力学，有望设计出具有自修复功能的纳米结构氧化层。

这项研究的创新性在于：1）建立分钟级腐蚀实验方法，填补了初始腐蚀观测的时间空白；2）开发Fe-Pb-Bi-O四元体系机器学习势，突破传统分子动力学无法处理氧参与的局限；3）发现低氧环境下混合氧化相的形成规律，为LBE腐蚀预测模型提供关键参数。正如通讯作者Tielong Shen强调的："理解氧化如何开始，才能决定腐蚀如何结束。"这项多尺度研究不仅为Gen-IV反应堆材料设计提供科学依据，其研究方法更可推广至其他液态金属腐蚀体系的研究中。