作为反应堆中最常用的结构材料，锆合金的耐腐蚀性能至关重要。近日，张宏亮老师课题组在国际腐蚀科学顶级期刊《Corrosion Science》（影响因子8.3）上发表了题为“3D reconstruction and interconnectivity quantification of the nano-porosity in the oxide layer of corroded Zr alloys”的研究成果，首次在纳米三维尺度研究了锆合金腐蚀过程中的微观结构及其机理。

在核反应堆压力容器和沸水反应堆中，锆合金作为最常用的包壳材料，其氧化层的纳米孔隙发展对氧化动力学有着显著影响。这些纳米孔隙可能为氧化物种提供传输路径。尽管氧化层含有纳米孔隙，但仍具有保护性。目前，这些纳米孔隙是否能为氧化和氢化物种提供快速扩散路径，从而可能加速腐蚀，还存在争议。

该研究首次基于倾斜透射电镜（TEM）图像系列，实现了腐蚀锆合金氧化层及其内部纳米孔隙的整体三维重建。研究团队成功可视化了从水/氧化物界面到金属/氧化物界面的孔隙最短路径。通过深入分析，揭示了孔隙的互连性及其作为氧化深度、暴露时间和腐蚀速率函数的最短路径。该工作直接证明了近水/氧化物界面区域的孔隙可以为氧化物种的扩散提供通道。

图 1. (a) 水腐蚀后锆合金近表面区域的TEM图像；(b) 经三维重构得到的氧化层立体结构；(d) 将立体结构中的孔洞单独提取并重建后形成的三维纳米孔洞分布（每个彩色模型都具备三维及坐标信息）

张宏亮老师课题组利用之前发展的一种基于机器学习的方法，精确量化了氧化层不同区域的纳米孔隙。通过TEM，实现了整个氧化层深度及层内每个孔隙的成像和三维层析重建。研究进一步探讨了孔隙的互连性及其作为氧化深度、暴露时间和腐蚀速率函数的最短路径。结果表明，互连性在水/氧化物（W/O）界面附近最高，并向金属/氧化物（M/O）界面逐渐减少。特别是，更高的温度、更长的暴露时间和更高的腐蚀速率与孔隙间增加的互连性相关。

此项研究不仅为核能安全提供了重要的科学依据，也为材料科学家在极端条件下的材料设计与评估提供了新的视角。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.corsci.2023.111630 

Corrosion Science Volume 226, January 2024, 111630