聚變能是人類理想的未來能源之一。鎢是聚變堆面向等離子體第一壁和偏濾器的最佳候選材料。它具有高熔點、良好的熱導率、低氚滯留率和低濺射率。在聚變堆中，鎢經受高能粒子輻照和高熱流轟擊，氫、氦等被注入鎢中，與輻照產生的空位結合形成氣泡等缺陷，使鎢發生輻照硬化。然而，基於電鏡觀察到的奈米尺度輻照缺陷（如氣泡、空洞或位錯環）並不能準確地評估這類輻照硬化。長期以來，研究者猜測鎢的超高輻照硬化與大量的不可見輻照缺陷有關。然而從實驗上獲得它們的尺寸、密度和強化效果非常具有挑戰性。因此，不可見輻照缺陷-“暗物質”-硬化的假設一直缺乏直接的實驗支撐。
近日，西安交通大學材料學院韓衛忠教授課題組系統研究了高溫氦離子輻照鎢的強化機理。氦離子輻照後鎢的屈服強度提高了兩倍（如圖1所示）。
圖1：鎢的超高輻照硬化。
基於氦泡等可見缺陷的強化只佔實驗測得強化值的30%。因此，除了可見氦泡的強化外，還應當存在另外一種更加主導的強化機制。為了評估不可見的輻照點缺陷，研究中採用氦離子作為標記原子，透過氦離子的分佈來推測輻照誘導點缺陷的含量。研究表明，可見氦泡中的氦只佔注入總氦量的很小比例，超過80%以上的氦仍然隱藏在晶格中（如圖2所示）。
圖2：大量不可見點缺陷複合體造成了鎢的超高輻照硬化。
由於氦和空位具有很強的結合能，注入的大量氦仍然隱藏在空位中，形成氦-空位複合體。實驗和計算研究證實鎢的超高輻照硬化源於位錯與大量不可見點缺陷複合體的強烈相互作用。氦-空位複合體可阻礙位錯運動，尤其對刃位錯釘扎更加明顯，使位錯滑移的阻力提高了1 GPa以上，使得鎢中由長直螺位錯主導的塑性變形轉變為了由環狀混合位錯協調的變形。這一現象與體心立方金屬具有很高的空位遷移能密切相關。在中低溫條件下，輻照產生的大部分空位仍然隱藏在晶格中，很難透過遷移發生聚集長大。這類離散分佈的點缺陷尺寸極小，密度極高，通常被稱為金屬材料中的“暗物質”。點缺陷複合體會誘導金屬材料的急劇強化和脆化。該研究揭示了體心立方金屬中的一種新型輻照強化機制，即不可見點缺陷複合體-“暗物質”-硬化。
相關工作以
“Atomic-Scale Hidden Point-Defect Complexes Induce Ultrahigh-Irradiation Hardening in Tungsten
”為題發表在學術期刊 《奈米快報》。西安交通大學材料學院碩士生鄭若瑤為論文的第一作者，韓衛忠教授為論文的通訊作者，合作者包括加州大學聖巴巴拉分校的Irene Beyerlein教授和Wu-Rong Jian博士。該工作得到了國家自然科學基金（優青、面上）、國家外專局111計劃等專案的共同資助。
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