晶界工程抑制铌超导体的辐照缺陷与裂纹扩展：基于深度势能分子动力学的研究

为解决超导体铌(Nb)在极端工况下辐照损伤和微裂纹扩展导致的性能退化问题，研究人员通过开发ZBL修正的深度势能(DP-ZBL)多尺度模型，系统研究了晶界(GB)类型对缺陷抑制和力学性能的影响。研究发现Σ3{112}对称倾斜晶界(STGB)可降低54.3%辐照缺陷，而Σ3{111}扭转晶界(TWGB)兼具优异抗辐照性和断裂韧性。该研究为设计高抗辐照、高韧性的多晶铌材料提供了理论指导。

　　

超导体铌(Nb)因其优异的超导性能和机械性能，在核聚变反应堆、超导射频腔等极端环境中具有重要应用。然而，高能粒子辐照会产生大量空位(Vacancy)和自间隙原子(SIA)等缺陷，微裂纹的萌生和扩展更会引发灾难性失效。传统实验手段难以观测原子尺度的缺陷演化，而经典分子动力学(MD)使用的经验势函数在预测晶界能(GBE)、缺陷形成能等关键参数时精度不足。如何通过晶界设计提升铌材料的抗辐照性能和断裂韧性，成为亟待解决的科学难题。

针对这一挑战，中国科学院大学等机构的研究人员Jiahang Li、Yajun Zhang等开发了融合Ziegler-Biersack-Littmark(ZBL)短程排斥势的深度势能(DP-ZBL)模型，通过第一性原理计算、机器学习势函数和分子动力学的多尺度框架，系统研究了晶界类型对辐照缺陷和裂纹扩展的影响。该成果发表在《Materials》期刊，为铌基超导材料的性能优化提供了新思路。

研究团队采用深度势能生成(DP-gen)方案构建势函数：首先通过主动学习策略采集包含体心立方(bcc)、面心立方(fcc)等晶相及空位、间隙原子缺陷的构型数据集；接着采用ABACUS软件进行密度泛函理论(DFT)计算获取能量和原子力数据；最终通过嵌入网络(25,50,100)和拟合网络(240节点×3层)的神经网络结构，实现能量误差<2.57 meV/atom、力误差<0.1 eV/?的精度。模型成功复现了Nb的晶格常数(3.28 ?)、弹性常数(C₁₁=241.1 GPa)及堆垛层错能(γ_sf110=0.79 J/m²)等关键参数。

在辐照损伤研究方面，10 keV初级击出原子(PKA)模拟显示：低温(9.2 K)下缺陷数量较300 K减少50%，证实温度对缺陷复合的抑制作用。通过高通量筛选发现，Σ3{112} STGB的晶界能最低(279 mJ/m²)，其残余缺陷数比体材料降低54.3%。而Σ11{225}/{441}不对称倾斜晶界(ATGB)在1%双轴压应变下展现出最优异的缺陷吸收能力。分子动力学模拟揭示，高角度晶界(HAGB)通过位错反应和空位重分布实现缺陷湮灭，而低角度晶界(LAGB)则依赖应变场调控缺陷迁移。

裂纹扩展行为研究取得突破性发现：未辐照时Σ3{111} TWGB的断裂强度最高(18.5 GPa)，但辐照后其强度降幅达22%。微观机制分析表明，辐照诱导的点缺陷会改变裂纹尖端位错发射模式——体材料中位错沿{110}滑移面发射，而TWGB模型中位错在晶界区形核。特别值得注意的是，ATGB在14.1%应变下通过{141}滑移面产生孪晶，这种变形机制使材料在保持15.2 GPa强度的同时，断裂韧性提升40%。

该研究首次建立了铌材料晶界特征-辐照抗力-力学性能的构效关系，证明Σ3{112} STGB适合低温辐照环境，Σ11 ATGB适用于高辐照通量场景，而Σ3{111} TWGB则是极端工况下的理想选择。提出的DP-ZBL多尺度框架可推广至钨(W)、钼(Mo)等体心立方金属的研究，为先进核反应堆和超导装置的材料设计提供了新范式。通过晶界工程与应变调控的协同优化，有望实现抗辐照性能与断裂韧性的双重突破，这对保障聚变堆第一壁材料服役安全具有重大意义。