上海交大疏达、杨超团队《Science》大子刊| 抗辐照难熔中熵合金取得新突破！

近日，上海交通大学材料科学与工程学院联合美国田纳西大学诺克斯维尔分校在抗辐照材料领域取得新进展，相关研究成果以 “High-throughput design of a light and strong refractory eutectic medium entropy alloy with outstanding He-ion irradiation resistance” 为题发表在 Science Advances 上（https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq6828），上海交通大学为论文第一完成单位。

该工作针对长期以来抗辐照合金设计难以多目标兼顾的难题，利用高通量热力学计算靶向设计了NbVTaSi难熔共晶中熵合金，开发出一种轻质（7.4 g/cm³）、高强（室温屈服强度2.60 GPa，850°C下1.84 GPa），以及抗氦/氩离子辐照的Nb ₅₅ V ₂₅ Ta ₅ Si ₁₅ 合金，展示了其在核能、航天等重点领域中的广阔应用前景。上海交通大学材料科学与工程学院杨超助理教授为论文第一作者，上海交通大学材料科学与工程学院疏达教授和田纳西大学诺克斯维尔分校Peter. K. Liaw教授为论文共同通讯作者。论文作者还包括澳大利亚核科学与技术组织的魏涛研究员以及上海交通大学材料科学与工程学院的王舒滨助理研究员等。研究得到了国家自然科学基金项目、“科技兴蒙”上海交通大学专项等资助。

核能和航天用结构材料在其寿期内会一直暴露在高能粒子的辐射下。这些高能粒子与结构材料的晶格原子相互作用，产生大量的辐照诱导缺陷，导致微观结构的变化，从而降低材料性能并加速其失效。随着空间推进、深空探测以及先进核能系统的快速发展，对结构材料的轻量化、力学和抗辐射等综合性能提出了更高的要求。但是现有材料综合性能较低，无法满足越来越严苛的服役环境，亟需设计并开发新一代结构材料。然而，通过实验试错法设计开发新材料耗时耗力、成本高昂，且难以多目标兼顾。因此，探索低成本、高效且精准的材料多目标设计新方法具有重大意义。

研究团队提出了一种多目标兼顾的材料高通量靶向设计策略，综合考虑密度、熔点、相组成、相结构、相含量、相尺寸和分布等因素，通过多轮筛选设计出Nb ₅₅ V ₂₅ Ta ₅ Si ₁₅ 难熔中熵合金。

为了验证该高通量靶向设计方法的准确性，研究团队对Nb ₅₅ V ₂₅ Ta ₅ Si ₁₅ 难熔中熵合金进行了显微结构表征和力学性能测试，发现该合金由共晶组织构成，具有优异的室温/高温力学性能。

研究团队对Nb ₅₅ V ₂₅ Ta ₅ Si ₁₅ 难熔中熵合金的抗辐照性能进行研究，进一步验证该设计方法的有效性。研究发现该合金具有优异的抗氦/氩离子辐照性能。

结合第一性原理计算，研究团队揭示了Nb ₅₅ V ₂₅ Ta ₅ Si ₁₅ 难熔中熵合金的氦致缺陷协同抑制机制。该新型合金有望应用于聚变堆第一壁、先进裂变核反应堆的堆芯或空间推进系统的高温部件中，同时本研究提出的高通量靶向设计策略为新材料设计和优化提供了新思路。审稿人高度评价该设计方法，认为“这项研究提出了一种从几乎无限的材料空间中筛选合金以适应多目标应用的材料设计新方法，将会引起许多读者的兴趣并具有实用价值”。