现代物理研究所张宏亮团队揭示辐照促进MAX相材料水热腐蚀的微观机制

相关成果发表于《Acta Materialia》

近日，复旦大学现代物理研究所张宏亮团队在核用候选材料辐照与腐蚀耦合行为研究方面取得新进展。研究以层状MAX相陶瓷Ti₃SiC₂为对象，采用多尺度微观结构表征方法，发现辐照损伤显著促进其在高温高压水中的氧化，并阐释了裂纹、层间膨胀与原子占位无序共同参与材料退化。相关成果以“Effects of irradiation on the hydrothermal corrosion and microstructural evolution of Ti₃SiC₂”为题发表于《Acta Materialia》。

先进核能系统的发展对结构材料的服役可靠性提出了更高要求。反应堆中的材料同时承受辐照与高温高压冷却水的腐蚀作用，二者的耦合可能改变材料的腐蚀行为。Ti₃SiC₂是兼具金属与陶瓷特性的MAX相材料，具有层状晶体结构、良好的抗热冲击性能和抗辐照性能，被列为核用候选材料之一。然而，辐照后的相结构稳定性并不能直接反映材料在高温水中的耐蚀性；辐照缺陷如何影响后续水热腐蚀，仍缺乏微观层面的认识。

针对这一问题，研究团队采用“先辐照、后腐蚀”的实验设计：以6.00 MeV Si离子在300 ℃和600 ℃下辐照Ti₃SiC₂，注量为2.6 × 10¹⁶ ions·cm⁻²，用以模拟中子辐照产生的位移损伤；随后在360 ℃、18 MPa的流动脱气去离子水中开展7—60天的水热暴露实验。结合扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）与元素成分分析，对材料表面开裂、氧化层生长及腐蚀界面结构演化进行了系统表征。

辐照温度显著影响材料的初始表面状态与后续腐蚀行为。300 ℃辐照样品在腐蚀前即出现沿晶界分布的不连续微裂纹，经水热暴露后发展为裂纹网络；600 ℃辐照样品腐蚀前表面完整，腐蚀后亦出现细密裂纹。截面分析表明，在相同的7天暴露时间下，300 ℃辐照样品的平均氧化层厚度约为1.39 μm，未辐照样品约为0.15 μm，前者约为后者的9.3倍；辐照样品还出现沿晶界向基体内部延伸的腐蚀，氧化前沿明显不均匀。

图1 未辐照与300℃辐照Ti₃SiC₂经水热腐蚀后的截面微观结构。辐照样品的氧化层明显更厚，并出现沿晶界发展的局部腐蚀。（图片来源：论文 Fig. 6）

针对上述现象，研究团队利用球差校正透射电子显微镜对腐蚀界面进行了原子尺度观察。与未辐照样品较为连续的层状骨架不同，辐照样品出现局部层片中断、弯曲以及Si层间距增大；在所观察的局部区域，层间距由基体的3.03 Å增至界面附近的5.72 Å，局部增幅约89%。结合裂纹附近的氧富集现象，研究团队推断，裂纹与扩大的层间空间为水及含氧物种向材料内部传输提供了路径。

综合界面成分与结构变化，研究团队提出Ti₃SiC₂的水热腐蚀遵循“Si层优先氧化溶解—残余Ti₃C₂骨架进一步氧化”的两阶段过程，辐照引入的结构破坏会加速该过程。原子像中Si层附近的局部强度起伏与Ti占据Si位的设想相符；原子分辨EDS未能直接确认该类反位缺陷，相关判断仍需进一步验证。

图2 辐照促进Ti₃SiC₂水热腐蚀的机制示意图：裂纹、层间结构变化与可能的反位缺陷共同影响腐蚀过程。（图片来源：论文 Fig. 10）

该研究将宏观的氧化层增厚与原子尺度的界面结构演变相关联，为理解MAX相材料的辐照—水热腐蚀耦合行为提供了实验依据。结果表明，材料在辐照后保持相结构稳定，并不意味着其在高温水中具有同等的耐蚀性；上述结果可用于完善核用候选材料的服役性能评价，并为通过缺陷调控与微观结构优化提升材料耐久性提供参考。

论文第一作者为复旦大学现代物理研究所博士生陈家兴，通讯作者为现代物理研究所张宏亮研究员。该研究得到上海市“探索者计划”和国家自然科学基金的资助。

原文链接：DOI：10.1016/j.actamat.2026.122883