Китайская команда предложила новый подход к созданию радиационно-стойких металлических материалов

Инновационный исследовательский проект Национального фонда естественных наук Китая «Высокопроизводительные металлические материалы», возглавляемый академиком Китайской академии наук и ректором Пекинского университета науки и технологий Люй Чжаопином, завершил период финансирования и получил высокую оценку по итогам проверки.

Проект был сосредоточен на фундаментальных исследованиях высокоэффективных металлических материалов и ключевых национальных потребностях. В его рамках продвигалась междисциплинарная интеграция в области проектирования сплавов, материаловедческой характеризации и интеллектуального дизайна. Одним из важных направлений стала разработка радиационно-стойких материалов.

В области материалов для ядерной энергетики современные ядерные системы сталкиваются с жесткими условиями эксплуатации, включая высокие температуры и большие дозы облучения. При длительном радиационном воздействии в материалах могут образовываться пустоты и происходить распухание, что приводит к деградации свойств и отказу. Традиционные материалы в основном полагаются на интерфейсы, способные поглощать радиационные дефекты, однако при высокотемпературном облучении упрочняющие частицы могут необратимо растворяться, что затрудняет обеспечение стабильности материала.

Для решения этой проблемы команда Люй Чжаопина предложила концепцию проектирования материалов по принципу «низкого несоответствия и сильной упорядоченности». Под «низким несоответствием» понимается хорошая совместимость упрочняющих частиц с матрицей, а под «сильной упорядоченностью» — стабильное расположение атомов внутри упрочняющих частиц, позволяющее им длительно сохранять упрочняющий эффект.

В отличие от традиционных механизмов, упрочняющие частицы в таких материалах могут растворяться в матрице под воздействием облучения, а после ослабления радиационного воздействия вновь выделяться. Благодаря динамическому процессу «растворение — выделение» материал способен устранять радиационные дефекты и одновременно поддерживать плотность упрочняющих частиц, сочетая высокую прочность и радиационную стойкость.

В рамках фундаментальных исследований высокопроизводительных металлических материалов команда также использовала высокоэнтропийные сплавы в качестве модельной системы для изучения роли кислорода. После введения кислорода в процессе плавки сплава исследователи установили, что атомы кислорода не формируют разрушительные хрупкие оксиды. Вместо этого, за счет характерного для высокоэнтропийных сплавов эффекта химического ближнего порядка, они связываются с кластерами, богатыми цирконием и титаном, образуя наноразмерные «упорядоченные кислородные комплексы».

Эксперименты показали, что прочность на растяжение такого высокоэнтропийного сплава увеличилась на 48,5% при сохранении хорошей пластичности. Это дает новый подход к решению давней проблемы металлических материалов — трудности одновременного повышения прочности и сохранения延展性.

Люй Чжаопин отметил, что реальные условия эксплуатации часто представляют собой сложные системы, где одновременно действуют высокая температура, высокие напряжения и интенсивное облучение. По его мнению, исследования материалов не должны ограничиваться стремлением к предельному улучшению одного свойства, а должны ориентироваться на реальные сценарии применения и продвигать фундаментальные исследования к прикладной научной основе.

Исходя из этого подхода, он также предложил идею «сопряженного материаловедения», подчеркивающую необходимость учитывать динамическое взаимодействие множества свойств и механизмов в сложных средах. Эта концепция рассматривается как новое направление для проектирования высокопроизводительных металлических материалов.