北京大学物理学院重离子物理研究所、核物理与核技术全国重点实验室王晨旭团队在核用复杂结构陶瓷材料的辐照相变机制研究上取得重要进展。作者利用原位辐照方法证实了多元层状陶瓷材料MAX相中辐照诱导的不同多级辐照相变路径，并通过第一性原理计算阐明了其损伤机制。该研究为MAX相等复杂结构陶瓷的辐照多级相变机制研究提出了新思路和判据。相关成果于2025年2月12日以“MAX相多级相变路径”(Multi-stage Phase Transformation Pathways in MAX Phases)为题在线发表于《自然?通讯》(Nature Communications)上。

MAX相是一类兼具金属与陶瓷特性的三元层状材料，在核反应堆包壳材料和高温结构部件等领域具有重要应用前景。近年来，其在辐照环境下的损伤效应及结构演化机制得到了广泛关注(Nature Communications 10 (2019) 1;Appl. Phys. Rev. 7 (2020) 041311等)。然而，此前研究主要聚焦于材料的初始相结构，而忽略了中间相在相变路径调控中的关键作用，难以建立普适性的预测模型，这极大地限制了对MAX相辐照机制的全面理解及其抗辐照性能的优化设计。王晨旭课题组以辐照中间 γ 相为切入点，通过密度泛函理论(DFT)计算，系统构建了多级相变路径与材料组分之间的依赖关系，并提出了一种新的MAX相辐照相变路径判据。这一研究成果不仅有助于完善MAX相在复杂辐照环境下的演化机制理解，还为未来MAX相材料的抗辐照性能优化提供了理论指导。

王晨旭课题组结合原位离子辐照和透射电子显微镜，在原子尺度揭示了三种典型MAX相(Cr?AlC、V?AlC、Nb?AlC)的离子辐照诱导多级相变路径的差异。实验结果表明，V?AlC和Nb?AlC遵循“hex→γ→fcc”的多级相变路径，而Cr?AlC则直接由γ相非晶化(图1)。同时，基于辐照中间γ相的同步剪切机制模型，通过第一性原理计算，分析了γ→fcc相变相关能量学和结构性质，提出了辐照中间γ相的晶格畸变程度与键合共价性两个关键因素，决定了其相变路径。其中，γ-Cr?AlC相较大的晶格畸变和键合共价性强度导致材料具有超高的堆垛层错能垒，从而抑制了层错形成及γ→fcc相的相变过程，导致直接非晶化。

图1. 800 keV Kr2+ 原位辐照下Cr?AlC (a-g)、V?AlC (h-n)、Nb?AlC (o-u) 三种MAX 相中不同的多级相变路径

在此基础上，建立了基于构成元素原子半径和电负性差值的推广判据，可用以评估和预测不同MAX相的相变行为(图2)。该判据亦可推广至多种复杂结构陶瓷材料体系的辐照相变研究中，例如烧绿石、缺氧萤石结构材料等，推翻了此前部分研究中，基于初始相结构研究辐照损伤效应的依赖性路径。上述成果为理解 MAX 相及相关复杂结构材料中成分与多级相变行为之间的关系提供了新视角。

图2. 不同MAX相(γ中间相)堆垛层错能垒与其原子半径差值、电负性差值两个指标的关联规律

北京大学物理学院2024届博士毕业生赵双(现就职于深圳平湖实验室)为本论文的第一作者;王晨旭研究员为论文的通讯作者。该工作得到了物理学院王宇钢教授、宁波材料所黄庆研究员、厦门大学曹留烜副教授、美国密歇根大学高飞教授、美国斯坦福大学的Rodney Ewing教授和Cameron Tracy博士的指导和帮助。王晨旭课题组的肖昊、黎雨欣、张子骏等博士生亦对该工作做出了贡献。

该研究工作得到了国家自然科学基金、国家磁约束核聚变发展研究专项基金，北京大学电子显微镜实验室、浙江省数据驱动高安全能源材料及其应用重点实验室等的大力支持。