近日，中科院合肥研究院固体所方前锋研究员课题组与美国麻省理工学院（MIT）核工系李巨教授合作，在聚变堆超导带材的设计及其抗氦辐照损伤研究方面取得新进展。相关研究成果以 “Superconducting Cu/Nb nanolaminate by coded accumulative roll bonding and its helium damage characteristics”为题发表在金属材料顶级期刊Acta Materialia (Acta Mater. 97, 212-223 (2020))上。

铌(Nb)基合金是一种广泛用于制备加速器及未来聚变堆的超导体材料。由于以超导带材为形式制作的磁体线圈需要经历绕制工艺，在服役过程中承受巨大的洛伦兹力，而且易在晶界/相界（GBs/PBs）中累积核反应产物氦（He）。因此，应用于聚变领域的结构功能材料需具备较高强度、较好塑性及优异的抗辐照损伤性能。科研人员采用了一种改进的累积叠轧焊接技术（coded-ARB），通过“编码”二元组分的尺度分布，制备出一种具有多级特征结构且满足上述性能要求的铌基纳米叠层材料。

操纵微观结构的特征尺度是一种用于优化材料性能的设计策略。研究发现，类似“条形码”形貌的双相分层结构可以有效的调控箔材在轧制过程中的局部应力分布，将部分剪切力转化为压应力，延缓材料开裂，增加等效应变。其中，高密度的纳米级铜层抑制位错运动，防止裂纹在铌基体层间的拓展，既提高了材料的强度和韧性，也增强了铌层的抗氧化能力。同时，通过控制加工过程中材料内部应力场的变化构建出不同的界面类型，不断累积的失配位错与界面发生相互作用，利用“位错泵”效应加速铜与铌原子之间的固溶，形成化学混合区域。随着塑性应变的积累，晶格缺陷密度的增大，界面演变为具有三维尺度的非晶无序结构。

研究人员通过氦离子辐照实验及分子动力学模拟分析得出，由于氦在界面的扩散系数较高，氦间隙更易在有序的二维（2D）相界面聚集为氦泡，降低材料的力学性能。而化学混合和非晶结构构建的三维界面（3D）因含有较多的自由空间，能够提供丰富的氦泡形核位点，有效抑制氦团簇长大，使得纳米多层复合材料具有更好的抗氦辐照能力。材料的超导性能研究表明，轧制态的多尺度铜铌叠层材料具有与纯铌相似的超导电流负载能力，且化学掺杂的界面结构增强了对磁通线的钉扎效应，其在较高磁场下更为明显。但退火态的铜铌材料因层状结构失稳，界面散射增加，其超导性则能被抑制。该项研究基于实验设计与理论模拟相结合，验证了构造多级特征结构以实现高性能材料的有效策略，同时利用特殊界面调控氦泡生长的动力学过程，最终使铜铌复合材料具有优异的机械、超导和抗辐照性能，并有望应用于核聚变领域。

该研究工作得到国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、美国能源部等相关项目的支持。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420305371