新型FeCoNiMnCu高熵合金的设计合成：结构演变、磁学行为与辐射屏蔽性能的多功能协同研究

为解决核反应堆结构材料在极端环境下机械性能退化、辐射损伤及屏蔽效率不足等问题，研究人员通过机械合金化成功制备了新型FeCoNiMnCu高熵合金(HEA)。该合金展现出单相面心立方(FCC)结构、软铁磁性(饱和磁化强度32 emu/g)及卓越的辐射屏蔽性能，其快中子移除截面(ΣR=0.1654 cm-1)优于传统材料，为下一代核能装备提供了多功能一体化材料解决方案。

　　

在核能技术快速发展的今天，反应堆结构材料面临着前所未有的挑战：极端辐射环境导致传统合金出现脆化、肿胀和性能退化，而现有屏蔽材料往往难以兼顾机械强度与辐射防护效率。更棘手的是，核反应堆内部同时存在γ射线、快中子等多种辐射形式，需要材料具备"一材多用"的特性。这些问题严重制约着下一代核能系统的安全性和经济性。

为突破这些技术瓶颈，研究人员开展了一项创新性研究，通过机械合金化技术成功设计出新型FeCoNiMnCu高熵合金(High-Entropy Alloy, HEA)。这项发表在《Radiation Physics and Chemistry》的重要成果，首次实现了结构稳定性、磁学性能和辐射屏蔽效能的三重优化。

研究采用了机械合金化制备、X射线衍射(XRD)结构表征、振动样品磁强计(VSM)测试以及蒙特卡罗模拟等关键技术。通过系统分析合金的相组成、微观结构和辐射屏蔽参数，揭示了这种五元合金的多功能特性。

【结构特性】XRD分析显示，经过20小时球磨后，原始元素的衍射峰完全消失，形成了单一的面心立方(FCC)结构，晶粒尺寸仅为11.7 nm，晶格应变达0.81%。这种纳米晶结构为材料提供了优异的抗辐射损伤能力。

【磁学性能】磁性测试表明该合金具有软铁磁特性，室温饱和磁化强度为32 emu/g，在10K低温下提升至53 emu/g。这种可调控的磁学行为使其在电磁设备中具有应用潜力。

【辐射屏蔽】最引人注目的是其辐射防护性能：对于⁶⁰Co源的γ射线，合金的半值层(HVL)比铅和混凝土低15-20%；快中子移除截面(Σ_R)达到0.1654 cm^-1，优于碳化硼(B₄C)、石墨等传统中子吸收材料。

这项研究的突破性在于，首次在单一高熵合金材料中实现了结构功能一体化设计。FeCoNiMnCu HEA不仅解决了核用材料面临的辐射损伤难题，其独特的成分设计（Fe/Co/Ni提供磁性和强度，Cu增强导热，Mn稳定相结构）还实现了多种性能的协同优化。研究团队通过Ghada ALMisned和Huseyin Ozan Tekin等人的合作，证实了高熵合金在极端环境应用中的巨大潜力。

特别值得关注的是，该合金的制备采用机械合金化这一可规模化技术，避免了传统冶金工艺的复杂工序。其优异的快中子屏蔽性能(Σ_R值)为聚变堆第一壁材料选择提供了新思路，而γ射线衰减特性则可用于医疗辐射防护装备的轻量化设计。这些发现不仅推动了高熵合金在核能领域的发展，也为多功能材料的设计提供了重要范式。

正如研究结论所指出的，FeCoNiMnCu HEA展现出的"三合一"特性——结构稳定性、可控磁性和高效辐射屏蔽，使其成为下一代核能系统的理想候选材料。这项研究为开发适应极端环境的新型功能材料开辟了道路，在核电安全、航天防护和医疗设备等领域都具有广阔的应用前景。