导读：本研究基于实验设计与理论模拟相结合，验证了构造多级特征结构以实现高性能材料的有效策略，同时利用特殊界面调控氦泡生长的动力学过程，最终使铜铌复合材料具有优异的机械、超导和抗辐照性能，并有望应用于核聚变领域。

铌（Nb）基合金是一种广泛用于制备加速器及未来聚变堆的超导体材料。由于以超导带材为形式制作的磁体线圈需要经历绕制工艺，并在服役过程中承受巨大的洛伦兹力，以及易在晶界/相界（GBs/PBs）中累积核反应产物氦（He）。因此，应用于聚变领域的结构功能材料需具备较高强度、较好塑性及优异的抗辐照损伤性能。

近日中科院合肥研究院固体物理所与美国麻省理工学院等合作，在聚变堆超导带材的设计及其抗氦辐照损伤研究方面取得进展。科研人员采用了一种改进的累积叠轧焊接技术（coded-ARB），通过“编码”二元组分的尺度分布，制备出一种具有多级特征结构并满足上述性能要求的铌基纳米叠层材料。该研究以“Superconducting Cu/Nb nanolaminate by coded accumulative roll bonding and its helium damage characteristics”为题，发表在金属材料顶级期刊《Acta Materialia》上。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645420305371

操纵微观结构的特征尺度是一种用于优化材料性能的设计策略。本论文研究发现，通过实现类似“条形码”形貌的双相分层结构可以有效的调控箔材在轧制过程中的局部应力分布，将部分剪切力转化为压应力，延缓材料开裂，增加等效应变。其中，高密度的纳米级铜层抑制位错运动，通过防止裂纹在铌基体层间的拓展，进而提高纳米叠层材料的强度和韧性，并增强了纳米级铌层的抗氧化能力。同时控制加工过程中材料内部应力场的变化构建出不同的界面类型，即通过不断累积的失配位错与界面发生相互作用，利用“位错泵”效应加速铜与铌原子之间的固溶，形成化学混合区域。并随着塑性应变的积累，晶格缺陷密度的增大，界面演变为具有三维尺度的非晶无序结构。

图1. 具有多级特征结构的铌基纳米叠层材料的制备工艺过程。

图2. 铌基纳米叠层材料中的多级特征结构形貌——（a，b）“条形码”状分布的Cu/Nb二元叠层结构，（c）化学混合态与（d）非晶无序态的Cu/Nb界面结构。

图3. （a）传统叠轧焊接及（b，c）“编码”轧制过程中多尺度铜铌叠层材料的应力场演化，（d，e）不同类型界面附近的位错分布。

研究人员通过氦离子辐照实验及分子动力学模拟分析得出，由于氦在界面的扩散系数较高，氦间隙更易在有序的二维（2D）相界面聚集为氦泡，并降低材料的力学性能。相反，化学混合和非晶结构构建的三维界面（3D）因含有较多的自由空间，能够提供丰富的氦泡形核位点，从而有效的抑制氦团簇长大，使得纳米多层复合材料具有更好的抗氦辐照能力。

图4. （a-f）分子动力学模拟三种不同界面中氦的演化过程以及（g）氦浓度和氦团簇尺度分布统计，（h-j）氦离子辐照后不同界面的微观结构及氦泡形貌。

针对材料的超导性能，研究证明轧制态的多尺度铜铌叠层材料因化学掺杂的界面结构增强了对磁通线的钉扎效应，这一趋势在较高磁场下更为明显。但退火态的铜铌材料因层状结构失稳，界面散射增加，其超导性能则被抑制。综上所述，此类复合材料获得了与纯铌相似的超导电流负载能力。

图5.（a）不同特征尺度的铌基纳米叠层材料力学性能及（b）不同状态铌基叠层材料超导金兹堡－朗道方程拟合对比。