北京大學物理學院重離子物理研究所、核物理與核技術全國重點實驗室王晨旭團隊在核用復雜結構陶瓷材料的輻照相變機制研究上取得重要進展。作者利用原位輻照方法證實了多元層狀陶瓷材料MAX相中輻照誘導的不同多級輻照相變路徑，并通過第一性原理計算闡明了其損傷機制。該研究為MAX相等復雜結構陶瓷的輻照多級相變機制研究提出了新思路和判據。相關成果于2025年2月12日以“MAX相多級相變路徑”（Multi-stage Phase Transformation Pathways in MAX Phases）為題在線發表于《自然?通訊》（Nature Communications）上。
MAX相是一類兼具金屬與陶瓷特性的多元層狀結構陶瓷材料，在核反應堆包殼材料和高溫結構部件等領域具有重要應用前景。近年來，其在輻照環境下的損傷效應及結構演化機制得到了廣泛關注（Nature Communications 10 (2019) 1；Appl. Phys. Rev. 7 (2020) 041311等）。然而，此前研究主要聚焦于材料的初始相結構，而忽略了中間相在相變路徑調控中的關鍵作用，難以建立普適性的預測模型，這極大地限制了對MAX相輻照機制的全面理解及其抗輻照性能的優化設計。王晨旭課題組以輻照中間γ相為切入點，通過密度泛函理論（DFT）計算，系統構建了多級相變路徑與材料組分之間的依賴關系，并提出了一種新的MAX相輻照相變路徑判據。這一研究成果不僅有助于完善MAX相在復雜輻照環境下的演化機制理解，還為未來MAX相材料的抗輻照性能優化提供了理論指導。
王晨旭課題組結合原位離子輻照和透射電子顯微鏡，在原子尺度揭示了三種典型MAX相（Cr?AlC、V?AlC、Nb?AlC）的離子輻照誘導多級相變路徑的差異。實驗結果表明，V?AlC和Nb?AlC遵循“hex→γ→fcc”的多級相變路徑，而Cr?AlC則直接由γ相非晶化（圖1）。同時，基于輻照中間γ相的同步剪切機制模型，通過第一性原理計算，分析了γ→fcc相變相關能量學和結構性質，提出了輻照中間γ相的晶格畸變程度與鍵合共價性兩個關鍵因素，決定了其相變路徑。其中，γ-Cr?AlC相較大的晶格畸變和鍵合共價性強度導致材料具有超高的堆垛層錯能壘，從而抑制了層錯形成及γ→fcc相的相變過程，導致直接非晶化。
圖1. 800 keV Kr2+原位輻照下Cr?AlC (a-g)、V?AlC (h-n)、Nb?AlC (o-u)三種MAX相中不同的多級相變路徑
在此基礎上，建立了基于構成元素原子半徑和電負性差值的推廣判據，可用以評估和預測不同MAX相的相變行為（圖2）。該判據亦可推廣至多種復雜結構陶瓷材料體系的輻照相變研究中，例如燒綠石、缺氧螢石結構材料等，推翻了此前部分研究中，基于初始相結構研究輻照損傷效應的依賴性路徑。上述成果為理解MAX相及相關復雜結構材料中成分與多級相變行為之間的關系提供了新視角。
圖2.不同MAX相（γ中間相）堆垛層錯能壘與其原子半徑差值、電負性差值兩個指標的關聯規律
北京大學物理學院2024屆博士畢業生趙雙（現就職于深圳平湖實驗室）為本論文的第一作者；王晨旭研究員為論文的通訊作者。該工作得到了物理學院王宇鋼教授、寧波材料所黃慶研究員、廈門大學曹留烜副教授、美國密歇根大學高飛教授、美國斯坦福大學的Rodney Ewing教授和Cameron Tracy博士的指導和幫助。王晨旭課題組的肖昊、黎雨欣、張子駿等博士生亦對該工作做出了貢獻。
該研究工作得到了國家自然科學基金、國家磁約束核聚變發展研究專項基金，北京大學電子顯微鏡實驗室、浙江省數據驅動高安全能源材料及其應用重點實驗室等的大力支持。
論文原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-56921-8
來源：北京大學物理學院
原文鏈接：https://www.phy.pku.edu.cn/info/1031/10839.htm
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