北京航空航天大学吕广宏教授团队破解聚变堆金属材料辐照损伤难题

2026-03-17 17:25:46 作者：今日新材料来源：今日新材料分享至：

在高能粒子辐照环境下，材料内部会不断产生和演化位错环等缺陷结构，深刻影响材料的微观组织稳定性及服役性能。尤其是在体心立方（bcc）金属中，实验中频繁观测到的 <100> 位错环，因其理论稳定性低、迁移能力弱，其真实形成机制长期以来备受争议，成为辐照损伤物理中的关键科学问题之一。

围绕这一难题，北京航空航天大学吕广宏教授团队以 bcc 铁为模型体系，基于大规模分子动力学模拟，系统研究了外加各向异性应变条件下，1/2<111> 位错环相互作用与 <100> 位错环形成的原子机制。研究发现，应变不仅显著改变位错环反应路径，更可大幅降低反应能垒，从而为 <100> 位错环的“高频出现”提供了全新的物理解释。

该工作在机制层面打通了模拟—实验—预测模型之间的关键链条，为辐照损伤演化评估及抗辐照材料设计提供了重要理论支撑。

文章信息

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100008

文章亮点速览

亮点一｜应变驱动 <100> 位错环形成

工作内容：通过分子动力学模拟，系统比较了无应变与单轴拉/压应变条件下，两条滑移的 1/2<111> 位错环相互作用行为，首次明确指出：在无应变条件下几乎不可能形成<100> 位错环，而外加各向异性应变可显著促进其生成。

研究价值：突破传统“位错反应需苛刻几何条件”的认知，为实验中<100> 位错环的普遍存在提供合理物理解释。

亮点二｜两类原子尺度反应路径

工作内容：研究发现，在不同应变方向下，位错环反应可分别经历共面模式与非共面模式两类演化路径，涉及多中间态、多间隙原子的协同重排过程。

研究价值：系统构建 <100> 位错环形成的完整原子图景，丰富了辐照缺陷动力学的微观认知。

亮点三｜应变降低反应能垒

工作内容：结合 NEB 方法与 Arrhenius 分析，定量给出了各关键反应步骤的激活能垒，并揭示其随单轴应变增加而显著降低，部分路径甚至转变为“近乎无能垒”过程。

研究价值：从动力学角度解释了应力/应变环境对辐照缺陷演化的放大效应。

亮点四｜形成概率预测模型

工作内容：综合应变幅值与位错环尺寸差异，构建形成概率预测模型，并与分子动力学结果高度一致。

研究价值：为团簇动力学、动力学 Monte Carlo 等多尺度模拟提供可直接嵌入的物理模型。

文章核心图表

结语

总体而言，吕广宏教授团队围绕辐照损伤领域中极具争议的 <100> 位错环问题，从原子尺度出发，系统揭示了外加载应变在调控位错环反应路径与动力学行为中的关键作用。研究不仅澄清了 <100> 位错环“低稳定性却高出现频率”的长期矛盾，也为理解辐照条件下复杂缺陷结构的演化机制提供了坚实的理论依据。

更重要的是，该工作突破了传统位错反应模型对几何条件和尺寸匹配的严格限制，提出了一种更具普适性的形成机制，并通过定量预测模型实现了从微观机制到工程评估的跨越。

该成果对核结构材料、航天服役材料及其他极端环境用材料的辐照损伤评估具有重要指导意义，也为未来应力/应变调控缺陷演化、设计高抗辐照性能材料提供了新的研究思路与方法框架。

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