《Tungsten》2021年第四期

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In‑situ transmission electron microscopy observation of the evolution of dislocation loops and gas bubbles in tungsten during H₂⁺ and He⁺ dual‑beam irradiation

Designer: 冉广，丁一帆（厦门大学）

       本期共发表10篇文章（3篇综述文章，7篇研究文章）。

本期文章限时免费开放一个月（10.25起），欢迎阅读了解！

文章简介

Review papers

1. Review on helium behaviors in nanochannel tungsten film

纳米孔道钨薄膜中的氦行为研究进展

Wen-Jing Qin, Wei Guo, Tao Cheng, Jun Tang, Chang-Zhong Jiang, Feng Ren* （任峰，武汉大学）

DOI:10.1007/s42864-021-00097-3

原文网址：https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-021-00097-3

摘要 钨作为面向等离子体材料（PFMs）在聚变堆中要遭受极端恶劣的服役环境，因而对其抗辐照性能提出了更高的要求。在众多科学挑战中，快速聚集的氦原子极其容易形成氦泡甚至纳米丝结构，会导致钨基体出现肿胀和脆化现象进而严重缩短其服役寿命，这是钨作为面向等离子体材料急待解决的难题之一。纳米孔道结构因其自身的不饱和性和开放性，在沉降缺陷方面显现出巨大的优势。不仅能够吸收氦原子等缺陷，而且能够有效的释放氦原子，极大程度的实现材料的“自修复”作用，进而提高了材料的抗辐照性能。本文介绍了含纳米孔道结构的钨薄膜的制备方法，并从目前的实验和模拟的结果中分别总结了在不同的辐照环境下纳米孔道钨薄膜中的氦行为及其调控氦原子的物理机制。此外，对纳米孔道钨薄膜在面向等离子体材料的应用方面进行了展望。

图1  

含不同纳米孔道密度的钨薄膜和块体钨分别在常温和600 ºC下经40 keV 

He⁺辐照至相同剂量下的对比图[1-2]

[1]Qin W, et al. Acta Mater. 2018;153:147. 

[2] Qin W, et al. J Nucl Mater.2018;502:132.

聚变用钒合金的研究进展（点击题目或图片查看详情）

Shao-Ning Jiang *（姜少宁，齐鲁工业大学）, Fu-Jie Zhou, Gao-Wei Zhang, Ziao-Ou Yi, Chang-Wang Yu, Ziu-Jie Wang, Wei-Feng Rao

DOI:10.1007/s42864-021-00107-4

原文网址：https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-021-00107-4

摘要  氘(D)氚(T)反应的核聚变能是未来的理想能源。到目前为止，可控核聚变的研究取得了很大进展，但仍存在一些问题有待解决。包层靠近聚变堆中等离子体，主要功能是产氚、发电和辐射屏蔽。包层冷却管道的结构材料会遭受恶劣的工作环境，如中子辐照损伤、高温和高应力等。对结构材料的要求包括低活化、与冷却剂相容、抗辐照、高温强度等。低活化钒合金与液态锂的相容性好、耐腐蚀、抗辐照肿胀，并且具有较高的高温强度。采用钒合金结构的包层设计，使用FLiBe或液态锂作为增殖剂和冷却剂，可以提高冷却剂温度，实现相对较高的氚增殖比(TBR)，而无需引入Be作为中子倍增器。因此，钒合金被认为是未来结构材料的高级选择。本综述文章，介绍了低活化钒合金的制备工艺与成分优化、涂层与腐蚀、辐照损伤、氢同位素滞留、连接技术等方面的研究进展。

图2  钒及钒合金离子辐照的缺陷表征以及与纳米硬度的相关性 [3-5]

[3]  Gao J,  et al. Mater Charact. 2016; 111: 1.

[4] Impagnatiello A,  et al. Scripta Mater. 2017; 130: 174.

[5] Jiang SN, et al. NuclMater Energy. 2018; 16: 19.

H2/He等离子体与钨材料相互作用过程中He泡驱动的钨丝生长

Wei-Yuan Ni,  Hong-Yu Fan*（范红玉，大连民族大学）,  Jie   Shi, Hai-Yan   Xu,  Da-Qiao   Meng*（刘东平，大连理工大学）

DOI:10.1007/s42864-021-00096-4

原文网址：https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-021-00096-4

摘要  钨（W）材料因其具有高熔点、低溅射率等优点被作为聚变堆偏滤器的候选材料而得到国内外学者广泛研究。在低能、高通量的聚变He/H边界等离子体辐照条件下，W表面会产生纳米丝层结构。‍‍‍‍‍‍研究指出，W丝的生长与等离子体辐照装置无关，但强烈依赖于He⁺剂量、能量、辐照温度和杂质浓度等参数。W丝生长的物理过程十分复杂，主要与W表层内He泡的破裂和He⁺注入对W表面的刻蚀过程密切相关。本文章从“H/He等离子体辐照下W中H和He纳米泡研究现状”、“He泡驱动的W丝生长研究现状”、“W丝生长与温度和He⁺能量的依赖关系”三个方面综述了He泡驱动的钨丝生长过程，并对一些尚待解决的问题进行了深入讨论和展望。

图3 采用SEM原位分析了He离子辐照下W{110}表面W丝产生及演变，研究指出在这个过程中He泡生长产生的微应力是W丝生长的驱动力[6]。

[6] Fan H, Zhang Y, Liu D, NiuC, Liu L, Ni W, Xia Y, Bi Z, Hong Y, Benstetter G, Lei G. Nucl. Fusion.2020;60(4):046011.

Original papers

4. Neutron irradiation effects on mechanical properties of ITER specification tungsten

Ta-Nb-Zr-Ti-Al难熔高熵合金中Ta/Ti含量对组织结构与力学性能的影响

Ya-Guang Dong, Shang Chen, Nan-Nan Jia, Qiu-Hong Zhang,  Liang Wang, Yun-Fei Xue, Ke Jin* (靳柯， 北京理工大学)

DOI:10.1007/s42864-021-00111-8

原文网址：https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-021-00111-8

摘要  在BCC结构难熔高熵合金中引入共格B2相通常既能大幅提升强度又严重损失塑性（压缩塑性一般低于10%）。本文设计制备出(Ta_25-xNb₂₅Zr₂₅Ti_25+x)₉₅Al₅ (x=0, 5, 10) 三种高熵合金（以Ta₂₅Ti₂₅、Ta₂₀Ti₃₀和Ta₁₅Ti₃₅合金表示），通过研究其固溶态与时效态的组织与力学性能，发现三种固溶态合金经600 ℃时效处理6-24 h后，晶粒内部均呈现为编织状组织，且随着Ti逐渐取代Ta元素，合金相组成由Ta₂₅Ti₂₅的BCC1+BCC2双固溶体相，到Ta20Ti30的BCC1+BCC2+B2多相，再到Ta₁₅Ti₃₅的BCC1+BCC2+B2+Omega多相演化。与之相对，合金压缩屈服强度由Ta₂₅Ti₂₅的1762 MPa降低到Ta₁₅Ti₃₅的1243 MPa，而断裂应变则由Ta₂₅Ti₂₅的7.3%大幅提升至Ta₁₅Ti₃₅的44.3%。研究结果表明，通过调控Ta与Ti的比例可以优化Ta-Nb-Zr-Ti-Al难熔高熵合金的强塑性匹配。

图4   三种固溶态合金经600 ℃时效处理后的SEM-BSE图。

5. Neutron irradiation effects on mechanical properties of ITER specification tungsten

Dmitry Terentyev*（Institute of Nuclear Materials Science，Belgium）, Chih-Cheng Chang, Chao Yin, A. Zinovev & Xin-Fu He

DOI:10.1007/s42864-021-00105-6

原文网址：https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-021-00105-6

Abstract: In this contribution, we present the results of recent neutron irradiation campaign performed in the material test reactor BR2 (Belgium) on pure tungsten. We have applied various irradiation conditions and sample geometry to assess the effect of neutron irradiation on hardness, bending, tensile and fracture mechanical properties. The investigated material is a commercially pure tungsten plate fabricated according to the international thermonuclear experimental reactor (ITER) specification for the application in the divertor plasma-facing components. The neutron irradiation covers a large span of temperatures and damage doses, ranging from 600 to 1200 °C and 0.1–1 dpa. The obtained mechanical properties were analyzed to deduce the shift of the ductile to brittle transition temperature (DBTT) applying bending, tensile and fracture toughness-testing procedures. Then, a correlation of the fracture toughness with the change of the hardness was established. The obtained results are compared with the already published results on another ITER specification grade produced in the form of a rod. The presented and discussed results show that the performance of the compared grades in terms of the irradiation-induced embrittlement is similar, and that the irradiation in the high-temperature region (600–800 °C) causes a considerable DBTT shift already at 0.2–0.5 dpa.

图5 a Inverse pole figure maps of IGP and b AT&M materials. c Grain size distribution obtained for the grains with misorientation angle exceeding 15°; d grain size distribution obtained for the grains with misorientation angle in the range (2–15)°

6. In-situ transmission electron microscopy observation of the evolution of dislocation loops and gas bubbles in tungsten during H²⁺ and He⁺ dual-beam irradiation

原位TEM研究钨在氢氦双离子束辐照过程中的位错环和气泡演化行为

Yi-Fan Ding, Yi-Peng Li, Xin-Yi Liu, Guang Ran*（冉广，厦门大学）, Xiu-Yin Huang, Qing Han, Yang Chen, Jin-Chi Huang & Zhe-Hui Zhou

DOI:10.1007/s42864-021-00104-7

原文网址：https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-021-00104-7

摘要：钨是聚变堆中面向等离子体的主要候选材料。然而，在服役过程中其将遭受14.1MeV中子、氘和氚、以及氦灰的辐照。氦和氢同位素的相互作用将产生影响钨力学性能和寿命的辐照位错环和气泡等缺陷，使钨性能显著退化。因此，研究氢氦协同辐照机制将对钨的实际应用和开发新型耐辐照钨基合金具有重要意义。该文章采用30keV氢氦双离子束对钨进行辐照的同时利用透射电镜原位表征了辐照缺陷的演化特征。揭示了位错环萌生率与剂量的内在关系。氢氦辐照在钨中同时形成<100>和1/2<111>位错环。对反应前后位错环的柏氏矢量进行表征后，发现1/2<111>位错环间反应产生1/2<111>位错环。对低辐照剂量下1/2<111>位错环的迁移距离进行定量分析，提出氢氦双离子束辐照引起<100>位错环形成的主要机制是高密度氦团簇诱导机制。同时发现<100>位错环会阻碍1/2<111>位错线的移动并在此之后脱离位错线而不是被吸收。在定量位错环/气泡特征参量的基础之上，建立了位错环和气泡的体密度、平均尺寸以及由此引起的辐照硬化值与辐照实验参数的内在关系。

图6  在1173 K辐照时，原位观察的位错环随剂量增加的演化特征与行为，包括位错环的萌生、迁移、生长、聚集、合并与湮灭、以及形成位错网等

7. Erosion and deuterium retention behavior of tungsten exposed to impurity-seeded deuterium plasma

Hong Zhang, Han-Wen Zhang, Li Qiao, Xue-Xi Zhang, Ran He & Peng Wang*（王鹏，中国科学院兰州化学物理研究所）

DOI:10.1007/s42864-021-00106-5

原文网址：https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-021-00106-5

Abstract: The effect of plasma impurity seeding on erosion and deuterium (D) retention behavior of tungsten (W) is investigated on linear experimental plasma system (LEPS). The incident D energy is 38 and 71 eV per D, and the D fluence varies from 3 × 10²³ to 1 × 10²⁶ D·m^–2. The results of erosion reveal that argon (Ar) seeding strongly enhances erosion, helium (He) seeding slightly increases sputtering yield depending on the ratio of He in plasma, while nitrogen (N) seeding inhibits erosion and reduces the sputtering yield. Furthermore, O impurity dominates the erosion behavior during pure D plasma exposure when the D incident energy is lower than the sputtering threshold of W by D. For blistering and D retention behavior, compared with pure D exposure, Ar seeding reduces the amount and increases the size of blister, and leads to the increase of D inventory. He seeding has the opposite result, showing almost no blisters at sample surface and a dramatic drop in D retention. D retention decreases with increasing N content, and ruptured blisters are observed at a high D fluence of 1 × 10²⁶ D·m^–2.

图7  Surface morphologies and mappings after plasma exposure under a constant D fluence of 1 × 10²⁵ D·m^–2 at 450 K. a1 and a2 pure D, − 100 V, b1 and b2 D5Ar, − 100 V, c1 and c2 D5He, − 100 V, d1 and d2 pure D, − 200 V, e1 and e2 D5N, − 200 V, f surface profiles (line scan) corresponding to each exposure experiment. Before plasma exposure, all samples underwent the same polishing process and have the same surface roughness

8. Micron-scale ultrathin two-dimension zirconia nanosheets towards enhancing anticorrosion performance of epoxy coatings

微米级超薄二氧化锆纳米片增强环氧涂层防腐性能

Xin-Ding Lv, Hao-Tong Li, Xiao-Gang Dai, Xiang-Nan Sun, Hai-Yong Zhang*, Yan-Zhen Zheng（郑言贞，北京科技大学，《Tungsten》期刊青年编委）, Xia Tao & Li-Hui Yang*

DOI:10.1007/s42864-021-00108-3

原文网址：https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-021-00108-3

摘要：金属腐蚀会造成安全问题和资源消耗。将聚合物涂层涂覆在金属表面上，能够有效防止腐蚀介质与金属的接触，进而保护金属免受腐蚀影响。然而，聚合物涂层的长期防腐性能并不理想。使用无机纳米填料是一种提高有机涂层抗腐蚀性能的有效方法。目前已有众多无机纳米填料用于提升聚合物涂层的防腐性能。其中，二维纳米填料以其优异的屏障性能、低弯曲特性以及良好的延展性，近年来在腐蚀防护领域受到了广泛关注。本文通过湿化学模板法来制备大尺寸超薄二维ZrO₂纳米片。通过静电吸附作用，将Zr⁴⁺离子固定在氧化石墨烯模板的表面上，精细调控pH值使得Zr⁴⁺离子缓慢发生水解反应，形成超薄的Zr(OH)₄/氧化石墨烯纳米片；最后经由热处理选择性地去除氧化石墨烯模板，制备成大尺寸超薄ZrO₂纳米片。将ZrO₂纳米片作为防腐填料加入到环氧涂层中，有效降低了涂层的孔隙率，提高了涂层的海洋防腐性能。

图8 ZrO₂纳米颗粒，ZrO₂纳米片以及石墨烯的XRD图和形貌图

9. Transmission electron microscopy characterization of dislocation loops in irradiated zirconium

‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍用TEM表征锆中位错环缺陷

Si-Mian Liu & Wei-Zhong Han*（韩卫忠，西安交通大学）

DOI:10.1007/s42864-021-00110-9

原文网址：https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-021-00110-9

摘要 高能粒子辐照在材料内部形成的点缺陷在温度和应力的作用下聚集、扩散演变成复杂的辐照缺陷。材料的宏观表现往往与辐照缺陷有密切关系。锆合金作为核燃料的包壳管，研究并表征其内部的辐照缺陷对降低辐照损伤、弱化辐照生长和调控锆合金的机械性能具有重要意义。

图9 不同柱面上<a>位错环在(100)和(23)晶体学面上的投影; (a,c) 带轴[100]和[23]下位错环的衬度照片；(b,d) 不同柱面上位错环在带轴[100]和[23]下的投影示意图。

10. Facile synthesis of aqueous silver nanoparticles and silver/molybdenum disulfide nanocomposites and investigation of their nonlinear optical properties

水溶性纳米Ag胶体及Ag/MoS₂复合物的合成及其超快非线性光学性能研究

Xiao-Yan Zhang*（张晓艳，上海大学，《Tungsten》期刊青年编委）, Hong-Qiang Wang, Yi Sun*, Wei Zhou & Jun Wang

DOI:10.1007/s42864-021-00113-6

原文网址：https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-021-00113-6

摘要  贵金属纳米颗粒具有一系列独特的物理化学特性，如高稳定性、催化性和优异的光学性能等，在催化、传感、表面增强拉曼散射以及能源存储等领域具有重要应用价值。其中纳米银因其优异的表面等离子体共振（SPR）和荧光等特性，以及易加工、低毒等特点，尤其受到科研工作者的关注。纳米金属的SPR与纳米金属的形貌、大小和尺寸等密切相关，通过控制纳米颗粒的大小、形状等可以有效地控制SPR的共振位置。因此，纳米银胶体的可控合成始终是实现其应用的一个关键核心问题。本文采用一种绿色、无污染的方法可控合成出具有较好稳定性的纳米银胶体。该方法以水-乙醇为体系，以硼氢化钠、柠檬酸钠分别为还原剂和稳定剂。研究发现，通过控制合成体系中乙醇的量，可以控制所得纳米银胶体的SPR的共振位置。当体系中乙醇含量较低时，所得银纳米胶体表现出一个SPR吸收峰（~400 nm），当体系中乙醇含量较高时，所得纳米胶体表现出两个SPR吸收峰，一个在~400 nm位置，一个在~520 nm。作者研究了该体系在飞秒脉冲、515 nm作用下的非线性吸收特性。研究发现，仅在400 nm左右有SPR的银纳米胶体表现为双光子吸收（TPA）效应，而同时在~520左右有SPR共振吸收峰的银纳米胶体表现为饱和吸收（SA）效应。前者可用于光限幅，后者可用于超短脉冲的产生。进而作者将具有优异SA性能的纳米银颗粒与二维过渡金属硫化物二硫化钼（2D MoS2）复合，发现纳米复合物具有更优异的SA效应。

图10 a）水-乙醇体系中乙醇含量对所得纳米银胶体线性光吸收性能的影响；b）样品在407 nm处的吸光度与光程比值随沉降时间的变化；c）样品放置不同时间后的光学照片。