论文标题：Radiation-Induced Helium Bubbles in Metals（金属材料中的氦泡）

期刊：Materials

作者：Shi-Hao Li, Jing-Ting Li and Wei-Zhong Han

发表时间：28 March 2019

DOI：10.3390/ma12071036

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期刊链接：

https://www.mdpi.com/journal/materials

原文通讯作者简介

韩卫忠 教授

西安交通大学

韩卫忠，西安交通大学教授，国家青年专家，国家自然科学基金优秀青年基金获得者，主持国家自然科学基金面上项目、国家重点研发专项等。主要研究领域为金属材料辐照损伤机理、金属材料变形损伤机理和高性能金属设计与制备等。

研究背景

服役于太空和核电站等环境中的金属材料受到高能粒子辐照作用，进而在其内部产生一系列辐照缺陷。氦泡作为一种典型的辐照缺陷，会引起金属构件性能的显著恶化，表现为构件肿胀、表面鼓泡和高温脆化等。针对这一问题，研究者们对金属材料中氦泡的形成过程、动态演变、对力学性能影响机理以及抗辐照材料的设计进行了广泛研究。

西安交通大学韩卫忠教授团队对相关研究成果了总结，成果以“Radiation-induced helium bubbles in metals”为题发表于Materials上。该综述阐述了金属材料中氦泡的形核、生长和粗化机理，总结了现有的通过引入界面而实现的抗辐照材料的设计 (纳米晶材料和层状材料等)，探究了氦泡对金属材料力学性能的影响，并讨论了有关金属材料中氦泡研究的关键问题。

研究内容

氦泡形核、生长和粗化

金属中的氦原子极易被空位捕获进而形成氦-空位团簇 (图1)。随着团簇中氦原子的增加，团簇对基体原子挤压应力不断增大，挤出 (kick-out) 基体原子并形成Frenkel缺陷对。新形成的空位则可以继续捕获氦原子，促进氦泡的形核。这一过程中形成的间隙原子通常堆积在氦泡周围，并不断以位错环的形式释放 (Dislocation loop punching)。氦泡在较高温度会发生粗化，粗化机理主要包括氦泡迁移、合并以及高温下Ostwald熟化。

图1. 金属中氦-空位团簇示意图

抗辐照材料设计：纳米晶材料和层状材料

现有抗辐照材料设计主要通过引入界面 (如晶界和相界) 来实现。大量界面可以捕获氦原子，促进空位和间隙原子湮灭，进而提高抗辐照性能。如图2所示，纳米晶金属具有良好的抗辐照性能，其氦泡尺寸和密度均小于相对应的粗晶材料。然而，纳米晶金属热稳定性较差，相比之下微米/纳米层厚的层状金属则具有更好的应用前景。通过多次曡扎等手段，诸多研究者们实现了块体层状材料的制备并获得了良好的抗辐照性能 (图2)。

图2. 纳米晶钼、粗晶钼以及铜/铌层状材料中的氦泡

氦泡对力学性能的影响

大量研究表明氦泡可以提高金属材料强度 (硬度) 而降低其塑性变形能力。在变形过程中，氦泡作为可剪切障碍阻碍位错运动，减小位错的平均自由程，提高材料流变应力，其强化效果与其尺寸及密度相关。在塑性方面，沿晶界分布的氦泡则可以导致材料脆性断裂，这一现象在高温下尤其明显，称为高温氦脆。316不锈钢蠕变实验表明，沿晶界分布的氦泡在应力及高温作用下不断长大并转化为空洞，空洞合并导致裂纹萌生及试样断裂 (图3)。

图3. 316不锈钢及含氦泡316不锈钢蠕变实验 (a) 及沿晶界分布的氦泡/空洞 (b)

总结

现有工作对氦泡的形核生长及对材料力学性能影响等进行了大量研究，也在抗辐照材料设计方面进行了深入探讨，但是仍有以下问题值得关注并研究。首先，由于实验手段及设备分辨率等的限制，氦与界面的交互作用相关研究并不是十分透彻，而相关理论是抗辐照材料设计的基础。此外，虽然层状材料相对于纳米晶材料具有更好的热稳定性，但由于核电构件等通常服役于较高温度，进一步提高层状材料的热稳定性具有重要意义。最后，界面结构随辐照可能发生改变并导致抗辐照性能的降低，设计可自修复的界面结构可以进一步提高材料抗辐照性能。

Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

期刊主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料、能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征、建模等。

2020 Impact Factor：3.623 (Q1*)

2020 CiteScore：4.2

MPT：36

APT：39