Một nhóm nghiên cứu từ Viện Khoa học Vật liệu Erich Schmid, Viện Hàn lâm Khoa học Áo, đã công bố một phương pháp được gọi là kỹ thuật lớp phủ hai pha, cải thiện khả năng chống bức xạ thông qua các nanolaminate tinh thể và vô định hình có entropy cao.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Materials Futures. Kỹ thuật lớp phủ hai pha là một trong những phương pháp tiên tiến và hiệu quả để cải thiện khả năng chống chiếu xạ của vật liệu. Lớp phủ này đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra và tiêu hủy khuyết tật do bức xạ gây ra. Trong nghiên cứu mới đây, các mô phỏng động lực học phân tử (MD) được thực hiện để nghiên cứu sự tiến hóa của các lớp tinh thể/vô định hình có entropy cao dưới chiếu xạ. Các tác động của giao diện tinh thể/vô định hình (ACI) đối với sự phân bố các khuyết tật điểm trong hợp kim entropy cao (HEA) cũng như đối với sự tiến hóa của cấu trúc vi mô trong các tấm thủy tinh kim loại (MG). Trong quá trình chiếu xạ, khuyết tật điểm bị kích hoạt ít hơn trong tấm HEA của các lớp MG/HEA so với HEA độc lập. Ngoài ra, lớp phủ đó hoạt động như một bồn chứa khuyết tật, đẩy nhanh quá trình tiêu hủy các kẽ hở. Kết quả là, các chỗ khuyết còn lại tích tụ trong vùng tinh thể sau chuỗi đầu tiên, dẫn đến sự phân bố tách biệt và mất cân bằng giữa các chỗ khuyết và kẽ hở trong tấm HEA. Sự tích tụ và tập hợp chỗ trống “chịu trách nhiệm” cho sự hình thành các đứt gãy xếp chồng và mạng lưới khớp phức tạp trong mảng HEA trong các tầng chồng chéo tiếp theo. Lớp phủ cũng hoạt động như một hạt giống kết tinh, đẩy nhanh quá trình kết tinh của mảng MG trong quá trình chiếu xạ. Tuy nhiên, thiệt hại về cấu trúc trong mảng MG được giảm thiểu bằng cách phân phối lại thể tích tự do tạo ra trong tầng va chạm, dẫn đến sự ổn định về cấu trúc của mảng MG trong các tầng chồng chéo.
Với sự phát triển của các lò phản ứng hạt nhân thế hệ tiếp theo, môi trường hoạt động của vật liệu trong cấu trúc hạt nhân càng trở nên khắc nghiệt hơn. Một trong những thách thức chính của lò phản ứng hạt nhân là hư hỏng cấu trúc do chiếu xạ gây ra, dẫn đến hiện tượng phồng lên, cứng lại, giòn và thậm chí là hỏng vật liệu. Hợp kim entropy cao có các tính chất cơ học và khả năng chịu chiếu xạ rất tốt do dung dịch rắn pha đơn của chúng với hợp kim đa nguyên tố chính. Như đã chứng minh bằng các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, sự biến dạng mạng tinh thể cấp cao và độ phức tạp về thành phần có thể làm thay đổi quá trình tiêu tán năng lượng và thúc đẩy quá trình phục hồi hư hỏng do chiếu xạ ở giai đoạn chiếu xạ sớm hơn so với hợp kim thông thường. Hầu hết các lỗ hổng do chiếu xạ gây ra bị tiêu diệt bởi các kẽ hở, tức là các hiệu ứng tự phục hồi trong các cấu trúc tinh thể.
Kiến trúc vật liệu cải tiến này khai thác các hiệu ứng ở các bề mặt vật liệu và hiệp đồng giữa các tấm tinh thể entropy cao và các tấm vô định hình, thể hiện tính ổn định về mặt cấu trúc trong điều kiện chiếu xạ khắc nghiệt. Nghiên cứu này mở đường cho việc thiết kế các vật liệu hạt nhân tiên tiến với các đặc tính phù hợp. Các vật liệu hạt nhân phải chịu những thách thức đáng kể khi tiếp xúc với chiếu xạ, như hiện tượng phồng lên, cứng lại và giòn, hỏng vật liệu. Hợp kim entropy cao (HEA) đã thu hút sự chú ý vì độ bền, khả năng chống ăn mòn, khả năng chịu chiếu xạ và độ ổn định nhiệt đáng chú ý do tính phức tạp về thành phần và độ biến dạng mạng của chúng.
Cơ chế ở cấp độ nguyên tử của cấu trúc bị hư hỏng do chiếu xạ gây ra trong các tấm tinh thể/vô định hình có entropy cao (Nguồn: Daniel Şopu và Qi Xu từ Viện Khoa học Vật liệu Erich Schmid, Viện Hàn lâm Khoa học Áo).
Kính kim loại (MG) có khả năng chống lại sự chiếu xạ hạt do không có khuyết tật tinh thể. Tuy nhiên, ứng dụng độc lập của HEA và MG bị hạn chế bởi các vấn đề như cụm khuyết tật trong HEA và tính dẻo kém trong MG trong điều kiện khắc nghiệt. Nhóm nghiên cứu đã kết hợp kỹ thuật lớp phủ hai pha và phát triển nanolaminate tinh thể/vô định hình có entropy cao (HECA), tạo ra cấu trúc hai pha để giảm thiểu hiệu quả thiệt hại do chiếu xạ. Giao diện giữa HEA tinh thể và tấm MG vô định hình hoạt động như các bồn chứa khuyết tật, đẩy nhanh quá trình tiêu hủy khuyết tật và giảm thiểu thiệt hại về mặt cấu trúc. Mô phỏng động lực học phân tử cho thấy các giao diện này bẫy các kẽ hở trong khi thúc đẩy sự tái hợp chỗ trống, tạo ra khối giàu chỗ trống và giao diện giàu kẽ hở. Tương tác hiệp đồng giữa giao diện và khuyết tật làm giảm thêm sự lan truyền khuyết tật trong quá trình chiếu xạ.
Trong quá trình chiếu xạ, tấm MG trải qua quá trình giãn cấu trúc dẫn đến giảm thể tích tự do. Tấm HEA cũng hoạt động như một hạt giống cho quá trình kết tinh, kích hoạt sự hình thành tinh thể và sự phát triển trong tấm MG tại vị trí của lõi thác va chạm. Quá trình kết tinh trong tấm MG đi kèm với quá trình chuyển đổi thành phần, với hàm lượng kim loại nhôm giảm từ 30 at.% ban đầu xuống 20 at.%. Khi số lượng các tầng chồng chéo tăng lên, nhiều khoảng trống hơn bị mắc kẹt trong ACI, trong khi các chỗ trống kết tụ và tạo thành các cụm chỗ trống trong phần lớn của mảng HEA, dẫn đến sự hình thành các đứt gãy xếp chồng và các vòng trật khớp. Các đứt gãy xếp chồng này và mạng lưới trật khớp phức tạp hoạt động như một rào cản, làm giảm tính di động của các khuyết tật điểm và ức chế sự di chuyển tiếp theo của các khoảng trống đến giao diện. Hiệu ứng giao diện yếu hơn dẫn đến sự phân bố đồng đều hơn và số lượng các chỗ trống và khoảng trống gần như bằng nhau sau khi giãn nhiệt trong mảng HEA đối với các tầng chồng chéo tiếp theo.
Ảnh TEM tuần tự của nanolaminate 5/35 Cu/Zr ở biến dạng kéo là 0% (A), 2% (B), 7% (C) và 10% (D). Sự giảm dần của từng lớp nanocrystalline và nano vô định hình có thể được nhìn thấy với biến dạng tăng dần. Một số cặp song sinh biến dạng có thể nhận thấy được, nhưng không quan sát thấy sự chồng chất trật khớp ở bất kỳ biến dạng nào. (E) Ảnh TEM độ phân giải cao của nanolaminate 5/35 Cu/Zr sau khi gãy. (Thanh tỷ lệ: A–D, 20 nm; E, 50 nm.)
Trong các tầng chồng chéo, hiệu ứng của giao diện đối với quá trình kết tinh trong mảng MG cũng bị giảm do quá trình chuyển đổi thành phần tại giao diện, làm giảm động lực cho quá trình kết tinh. Với sự chiếu xạ tiếp theo, thiệt hại về cấu trúc trong mảng MG được giảm thiểu bằng cách phân phối lại thể tích tự do, dẫn đến sự ổn định về cấu trúc của mảng MG.
Ngoài ra, tấm HEA thúc đẩy quá trình kết tinh trong tấm MG tại giao diện trong quá trình chiếu xạ, do đó làm tăng độ ổn định của cấu trúc. Hiệu ứng này kết hợp với sự phân bổ lại thể tích tự do trong tấm MG, đảm bảo độ phồng tối thiểu và khả năng chống chiếu xạ vượt trội. Nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc đào sâu hiểu biết về cấu trúc quy mô nguyên tử và các đặc tính toàn diện của nanolaminate HEA bằng cách kết hợp các thí nghiệm với mô phỏng và khám phá các ứng dụng của chúng trong hạt nhân, hàng không vũ trụ và điện tử tiên tiến. Những nỗ lực nhằm giảm chi phí sản xuất và cải thiện kỹ thuật giao diện sẽ nâng cao hơn nữa khả năng tồn tại trong công nghiệp của chúng. Bước đột phá này có thể mở ra những khả năng mới cho việc thiết kế các vật liệu chống bức xạ phù hợp với các môi trường khắc nghiệt. Bằng cách kết hợp các đặc tính tuyệt vời của pha tinh thể và pha vô định hình, nanolaminate tinh thể và vô định hình có entropy cao đã thiết lập một chuẩn mực mới cho các vật liệu hiệu suất cao trong năng lượng hạt nhân và hàng không vũ trụ.
Từ khóa: vật liệu hạt nhân;
– CMD –
