托木斯克理工大學(xué)(TPU)科學(xué)家成功研發(fā)出一種用于熱核反應(yīng)堆部件的新型多層涂層結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)具備極高熱穩(wěn)定性，能在極端條件下“自愈”，顯著延長反應(yīng)堆設(shè)備使用壽命。這一成果為核工業(yè)材料技術(shù)提供了新解決方案。

傳統(tǒng)多層納米層狀涂層雖以高強(qiáng)度、耐腐蝕性和耐輻射性廣泛應(yīng)用于核領(lǐng)域，但在高溫與輻射共同作用下性能受限。TPU團(tuán)隊(duì)提出的功能梯度材料(FGM)涂層結(jié)構(gòu)，通過精準(zhǔn)設(shè)計(jì)層狀梯度，突破了這一瓶頸。該涂層由四層構(gòu)成：厚度約3微米的保護(hù)性鈮層、1微米厚的納米級鈮-鋯交替耐輻射層、10微米厚的鋯粘附層，以及0.7毫米厚含1%鈮的鋯合金基體。這種分層設(shè)計(jì)不僅提升了熱穩(wěn)定性，還能將缺陷定位至特定層位，通過重新導(dǎo)向活性區(qū)域?qū)崿F(xiàn)“自愈”。“與簡單納米層狀結(jié)構(gòu)不同，我們的設(shè)計(jì)讓活性區(qū)域與損傷分布精準(zhǔn)匹配，從而優(yōu)化了自愈機(jī)制。”TPU實(shí)驗(yàn)物理系代理主任羅曼·拉普捷夫解釋道。

為驗(yàn)證性能，研究團(tuán)隊(duì)在真實(shí)設(shè)備上進(jìn)行了原位測試，溫度高達(dá)900攝氏度。通過X射線衍射、多普勒展寬光譜和透射電子顯微鏡的聯(lián)合分析，實(shí)時(shí)觀察了涂層在加熱過程中的缺陷演變與晶格變化。結(jié)果顯示，涂層加熱后仍能保持多層結(jié)構(gòu)與界面密度，且相變可逆，材料性能未顯著退化。“結(jié)合原位分析與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，我們證明了該涂層結(jié)構(gòu)具備抗熱應(yīng)力能力，可承受極端加熱-冷卻循環(huán)。”拉普捷夫補(bǔ)充說。這一特性對評估涂層在實(shí)際運(yùn)行中的耐久性至關(guān)重要。

該研究由TPU核工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)物理系及研究型核反應(yīng)堆團(tuán)隊(duì)聯(lián)合完成，屬于國家“科學(xué)”項(xiàng)目的一部分，成果已發(fā)表于《材料科學(xué)雜志》(Q1，影響因子3.9)。