辐照不仅仅对生物是危险的，对材料也同样如此；随着时间的推移，持续的辐照会导致从电子产品到结构材料再到核或空间应用中使用的包层等一切材料性能退化和失效。这也是材料科学家一直在寻找能够承受恶劣辐照环境的新材料的原因之一。目前一种被证明可用于制备抗辐照金属材料的策略是制备金属多层膜，因为这会产生高密度的界面，而界面可以吸收材料缺陷，导致辐照损伤的恢复和复合。此外，这些界面还可以通过设计提高材料的强度、韧性和抗氧化性，从而对材料性能发挥重要作用。
现在，威斯康星大学麦迪逊分校的科学家们将类似的策略应用于一类基于 MAX 相材料、SiC和TiC的抗辐照陶瓷多层膜材料，他们仔细研究了这种多层陶瓷在各个界面上发生的过程，借此提出了增强该材料辐照稳定性的方法。这项工作为创造新型层状陶瓷打开了大门，这类陶瓷多层膜材料可用作核反应堆的结构和涂层材料等强辐照环境之中。该研究以Enhancing the phase stability of ceramics under radiation via multilayer engineering为题发表在2021年6月的《Science Advances》杂志上。
论文链接：
http://advances.sciencemag.org/content/7/26/eabg7678
“陶瓷通常具有良好的耐腐蚀性和高温稳定性，因此它们在核应用中可以发挥特殊作用，”威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程教授 Izabela Szlufarska 说。“多层膜的方法在金属系统中是成功的。但是陶瓷的行为与金属截然不同。问题之一是界面是否对陶瓷有益，因为这些材料中的缺陷行为更为复杂。此外，陶瓷通常由彼此截然不同的元素组成，这些元素中的每一个都可能与界面发生不同的相互作用，从而导致对辐照的复杂反应。”
为了进行研究，包括张宏亮、席建奇在内的研究小组使用Ti3SiC2制备了一个多层膜系统，Ti3SiC2是一种在辐照下晶体结构稳定性最高的 MAX 相陶瓷材料之一，然而，虽然Ti3SiC2的晶体结构保持稳定，但这种材料往往会随着时间的推移而产生缺陷，最终在高辐照水平下会发生相变。作为陶瓷沉积领域和辐照效应研究的专家，张宏亮博士使用射频磁控溅射技术，制备了SiC、TiC（另外两种已知具有良好抗辐照性的陶瓷）和Ti3SiC2的多层膜。
图从(11-20)方向拍摄的SiC/Ti3SiC2/TiC界面区域高分辨TEM
然后，该团队在威斯康星大学离子束实验室用碳离子辐照这种层状材料，并使用球差透射电子显微镜等实验分析手段确定其对辐照的抵抗力。他们发现，当谈到抗辐照性时，界面可能是好是坏，这取决于界面的原子级细节。在MAX相和TiC的边界处，耐辐照性得到改善。第一性原理计算表明：在此界面处辐照诱导相转变被抑制是因为与TiC的界面充当了缺陷捕获中心，并允许在 MAX 相内形成的缺陷迁移到界面和TiC中。
但在靠近SiC的界面处的情况正好相反，实验和理论计算证明SiC在辐照条件下是缺陷的来源。在该材料中产生的缺陷被转移到 MAX 相中——加速了后者的降解。
Szlufarska 教授表示，该研究表明，在 MAX 相陶瓷中分层和创建界面为设计具有更高抗辐照性的新材料提供了非常有前途的途径。然而，必须仔细选择和设计界面，因为并非所有界面都有利于退火辐照损伤。
界面设计需要了解材料中近界面区域的原子级结构和化学的演变。而且，Szlufarska 说，我们需要了解界面两侧的材料缺陷是如何相互耦合的。“这种复杂性使得对辐照响应的先验预测变得困难。” “由于陶瓷缺陷行为的复杂性和丰富性，新型多层材料的设计潜力巨大。探索的空间很大，我们目前的了解仅仅只是冰山一角，”Szlufarska 教授说。
本研究得到了美国能源部（DE-FG02-08ER46493）的资助。
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