Ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами изучили, как ведут себя новые многослойные (наноламинатные) покрытия при облучении протонами и ионами гелия. Подобные материалы обладают способностью «самозалечиваться» при работе в экстремальных условиях и могут быть перспективны для элементов термоядерных реакторов. Установлено, что функционально-градиентный материал (ФГМ) на основе ниобия и циркония сохраняет целостность структуры при облучении, а также эффективно ограничивает накопление дефектов.
Результаты опубликованы в журнале Journal of Materials Research (Q2, IF: 2.9). Проект поддержан грантом Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (№ FSWW-2026–0044).
Многослойные или наноламинатные покрытия широко исследуются для применения в ядерной промышленности, так как они обладают высокой прочностью, коррозионной стойкостью и устойчивостью к радиационному воздействию. Особенно перспективны подобные конструкционные материалы для создания термоядерных энергетических систем. Однако эксплуатационные характеристики существующих наноламинатных покрытий остаются недостаточными.
Ранее политехники предложили новую архитектуру многослойного покрытия – функционально-градиентный материал (ФГМ) на основе ниобия и циркония. Этот материал состоит из чередующихся слоев с пространственно изменяющимся составом и толщиной, образующих постепенный переход между химически и структурно различными составляющими.
«Проведенные ранее in situ исследования продемонстрировали, что новый материал при нагреве до 900 °C показал себя устойчивым к термическому воздействию за счет эффективной рекомбинации дефектов, а также, благодаря обратимым фазовым трансформациям, способен выдерживать экстремальные циклы нагрева и охлаждения без существенной деградации. В новой работе было установлено, что образцы ФГМ сохраняют свою слоистую структуру при облучении протонами и ионами гелия без признаков аморфизации (превращения твердого вещества из упорядоченного состояния в неупорядоченное – ред.) или фазовых превращений. Установлены механизмы, управляющие эволюцией дефектов, атомными смещениями и реакцией интерфейса в градиентных системах, подвергающихся облучению. Физическое понимание того, как градиентные структуры реагируют на экстремальные условия, включая генерацию и перераспределение дефектов, вызванных облучением, критически важно для перехода ФМГ от концептуальных архитектур к инженерным материалам с регулируемым и предсказуемым поведением», – говорит один из соавторов статьи, профессор отделения экспериментальной физики ТПУ Роман Лаптев.
В данной работе ученые изучили эти вопросы посредством комбинированного экспериментального и теоретического исследования радиационных эффектов в функционально-градиентных наноламинатах на основе ниобия и циркония. Используя метод магнетронного распыления, исследователи получили образцы ФГМ, которые состоят из четырех функциональных слоев: внешнего слоя ниобия толщиной 3 ± 1 мкм, наноразмерного многослойного покрытия, состоящего из чередующихся слоев циркония и ниобия с индивидуальной толщиной 60 ± 15 нм и общей толщиной приблизительно 1,0 ± 0,3 мкм, адгезионного промежуточного слоя циркония толщиной 8 ± 3 мкм и подложки из сплава циркония и ниобия толщиной около 0,7 мм. Затем образцы облучили протонами и ионами гелия на электростатических ускорителях. Энергия протонного пучка — 800 кэВ, гелиевого — 2 МэВ (точность стабилизации ±0,02%). Облучение проходило при комнатной температуре.
Далее, используя различные методы, включая просвечивающую электронную микроскопию, рентгеновскую дифракцию, позитронную аннигиляционную спектрометрию и расчеты на основе теории функционала плотности, ученые проанализировали микроструктурный отклик и дефектное поведение ФГМ.
«Установлено, что наноламинатные покрытия на основе ниобия и циркония эффективно ограничивают накопление дефектов и сохраняют структурную целостность при ионном облучении. Накопление дефектов и механическая модификация в образцах ограничены тонкой внешней областью. Ее радиационная чувствительность определяется внутренними искажениями решетки, вызванными межфазным взаимодействием, и эффективным размещением дефектов на границах гетерофаз. Полученные результаты обеспечивают физически обоснованную основу для проектирования градиентных наноламинатов, предназначенных для использования в экстремальных радиационных условиях, актуальных для систем термоядерной энергетики», — отмечает ассистент отделения экспериментальной физики ТПУ Антон Ломыгин.
В исследовании принимали участие сотрудники отделения экспериментальной физики и исследовательского ядерного реактора Инженерной школы ядерных технологий ТПУ, отделения материаловедения Инженерной школы новых производственных технологий ТПУ и Объединенного института ядерных исследований.