近日，中科院合肥研究院固體所方前鋒研究員課題組與美國麻省理工學院（MIT）核工系李巨教授合作，在聚變堆超導帶材的設計及其抗氦輻照損傷研究方面取得新進展。通過實驗設計與理論模擬相結合，該項研究驗證了構造多級特征結構以實現高性能材料的有效策略，同時利用特殊界面調控氦泡生長的動力學過程，最終使銅鈮復合材料具有優異的機械、超導和抗輻照性能，并有望應用于核聚變領域。相關研究成果以 “Superconducting Cu/Nb nanolaminate by coded accumulative roll bonding and its helium damage characteristics”為題發表在金屬材料頂級期刊Acta Materialia 上。 

　　鈮(Nb)基合金是一種廣泛用于制備加速器及未來聚變堆的超導體材料。由于以超導帶材為形式制作的磁體線圈需要經歷繞制工藝，在服役過程中承受巨大的洛倫茲力，而且易在晶界/相界（GBs/PBs）中累積核反應產物氦（He）。因此，應用于聚變領域的結構功能材料需具備較高強度、較好塑性及優異的抗輻照損傷性能。科研人員采用了一種改進的累積疊軋焊接技術（coded-ARB），通過“編碼”二元組分的尺度分布，制備出一種具有多級特征結構且滿足上述性能要求的鈮基納米疊層材料。 

　　操縱微觀結構的特征尺度是一種用于優化材料性能的設計策略。研究發現，類似“條形碼”形貌的雙相分層結構可以有效調控箔材在軋制過程中的局部應力分布，將部分剪切力轉化為壓應力，延緩材料開裂，增加等效應變。其中，高密度納米級銅層抑制位錯運動，防止裂紋在鈮基體層間拓展，既提高了材料的強度和韌性，也增強了鈮層的抗氧化能力。同時，通過控制加工過程中材料內部應力場的變化，構建出不同的界面類型，不斷累積的失配位錯與界面發生相互作用，利用“位錯泵”效應加速銅與鈮原子之間的固溶，形成化學混合區域。隨著塑性應變的積累，晶格缺陷密度的增大，界面演變為具有三維尺度的非晶無序結構。 

　　研究人員通過氦離子輻照實驗及分子動力學模擬分析得出，由于氦在界面的擴散系數較高，氦間隙更易在有序的二維（2D）相界面聚集為氦泡，降低材料的力學性能。而化學混合和非晶結構構建的三維界面（3D）因含有較多的自由空間，能夠提供豐富的氦泡形核位點，有效抑制氦團簇長大，使得納米多層復合材料具有更好的抗氦輻照能力。材料的超導性能研究表明，軋制態的多尺度銅鈮疊層材料具有與純鈮相似的超導電流負載能力，且化學摻雜的界面結構增強了對磁通線的釘扎效應，其在較高磁場下更為明顯。但退火態的銅鈮材料因層狀結構失穩，界面散射增加，其超導性則被抑制。 

　　該研究工作得到國家自然科學基金、安徽省自然科學基金、美國能源部等相關項目的支持。 

　　論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420305371。