·1536 工程科学学报，第42卷，第12期 6=1/2<111>.The density of the first type is approximately one order of magnitude higher than that of the second type.The one- dimensional motion of self-interstitial atom clusters and the research activities in this field were also discussed in detail,and the one. dimensional motion would be a key factor effecting the irradiation damage of high entropy alloys. KEY WORDS point defect;defect cluster;one-dimension motion;irradiation damage;materials for a fusion reactor 1 材料的辐照损伤 演化的 2.1偏压对点缺陷演化的影响 材料辐照损伤是核反应堆材料、尤其是核聚 在辐照过程中，自间隙原子与空位是成对产 变堆材料所面临的重要问题.在氘氚核聚变堆中， 生的，二者的总数量相等.自间隙原子与空位相互 所产生的14M®V的中子是聚变能量的载体，然而 结合后，晶体则会恢复到生成点缺陷之前的状态 这一能量却不能够像热能那样立刻得到利用，需 假如自间隙原子与空位的性能基本相同，它们之 要让中子与聚变堆结构材料进行相互作用，从而 间就会很容易复合以至湮灭，这些点缺陷就难以 将中子的动能传递给聚变堆结构材料.也就是说， 进一步演化成缺陷团簇，材料辐照损伤也就不会 聚变堆结构材料必然要承受高剂量的中子辐照. 成为严重的问题.从这个思路来说，尽量提高弗伦 材料的辐照损伤有许多表现形式，人们比较 克尔点缺陷对的复合比例，是提高材料抗辐照性 熟悉的有辐照脆性和辐照肿胀.辐照脆性是辐照 能的关键 剂量较低的核电站压力容器钢所面临的重要问 不巧的是，自间隙原子与空位的特性有很大 题.而对于辐照剂量更高的快中子反应堆和核聚 不同.例如，自间隙原子的形成能远大于空位的形 变堆的材料来说，除了辐照脆性外，更要面对辐照 成能，而自间隙原子的迁移能又远小于空位的迁 肿胀的问题 移能.在辐照缺陷的形成与演化过程中，有不少因 在核能开发的初期，人们就开始关注材料辐 素使得这两种点缺陷呈现很不相同的行为.这种 照损伤问题，60余年来获得了大量的信息和数据 差异一般称为偏压(Bias).关于点缺陷的偏压有 目前已有一些关于材料辐照损伤的书籍-，尤其 两种，产生偏压(Production bias)和陷阱偏压(Sink 是Was的著作具有较大影响，其新版著作四较之 bias).在辐照级联过程所产生的自间隙原子与空 旧版增加了20%左右的内容，比较全面地介绍了 位的分布区域中，有一个很明显的特征.在这个区 材料辐照损伤的知识.郭立平等印的著作的特点 域中心附近的点缺陷主要是大量的空位，而自间 则主要是从位错环的角度来介绍材料辐照损伤 隙原子则分布在空位区域的周围.这样形成的空 然而，仍有许多新的研究结果未能包含在这些书 位和自间隙原子的浓度差异，称为产生偏压.产生 籍之中，在辐照损伤理论、材料辐照实验、以及抗 偏压的存在，对于辐照肿胀时的空洞形核具有重 辐照肿胀材料开发等方面，也还存在许多重大问 要意义.材料中能够大量吸收点缺陷的地方称为 题有待解决.其中，自间隙原子团簇的一维迁移现 “缺陷陷阱”(Sink,有的文献称为“缺陷位闾”).一 象近来比较受人关注，正在成为材料辐照损伤基 般来说，缺陷陷阱吸收自间隙原子的数量要多于 础研究领域中新的热点 空位的数量，表征这一差异的量是陷阱偏压.陷 2点缺陷与点缺陷团簇 阱偏压越大，意味着该陷阱吸收的自间隙原子越 多，从而导致残留的空位浓度远大于自间隙原子 高能粒子的辐照在材料中会产生弗伦克尔点 浓度 缺陷对(Frenkel pair),即间隙原子(Interstitial atom) 2.2点缺陷团簇的类型 和空位(Vacancy).这些间隙原子与材料基体原子 由于点缺陷周围存在着的应变场，如果点缺 相同，又可称为自间隙原子(Self interstitial atom, 陷聚集在一起形成团簇，与单个的点缺陷相比，将 SIA),以区别由那些尺寸更小的杂质原子形成的 能降低应变能.空位团簇与自间隙原子团簇的行 间隙原子.高能粒子辐照产生的点缺陷是产生材 为也有着很大差异 料辐照损伤的根源.对于形成点缺陷的级联碰撞 空位团簇的形式比较复杂，一般有空洞、层错 过程，以分子动力学为主的计算机模拟研究做出 四面体、位错环等几种.除了辐照方法之外，通过 了很大贡献阿但是，除了点缺陷的形成过程之 淬火方法形成的肖特基缺陷就是点缺陷空位，这 外，人们更需要知道，这些点缺陷形成之后是如何 些肖特基缺陷也可以形成空位团簇b=1/2<111>. The density of the first type is approximately one order of magnitude higher than that of the second type. The one￾dimensional motion of self-interstitial atom clusters and the research activities in this field were also discussed in detail, and the one￾dimensional motion would be a key factor effecting the irradiation damage of high entropy alloys. KEY WORDS    point defect；defect cluster；one-dimension motion；irradiation damage；materials for a fusion reactor 1    材料的辐照损伤 材料辐照损伤是核反应堆材料、尤其是核聚 变堆材料所面临的重要问题. 在氘氚核聚变堆中， 所产生的 14 MeV 的中子是聚变能量的载体，然而 这一能量却不能够像热能那样立刻得到利用，需 要让中子与聚变堆结构材料进行相互作用，从而 将中子的动能传递给聚变堆结构材料. 也就是说， 聚变堆结构材料必然要承受高剂量的中子辐照. 材料的辐照损伤有许多表现形式，人们比较 熟悉的有辐照脆性和辐照肿胀. 辐照脆性是辐照 剂量较低的核电站压力容器钢所面临的重要问 题. 而对于辐照剂量更高的快中子反应堆和核聚 变堆的材料来说，除了辐照脆性外，更要面对辐照 肿胀的问题. 在核能开发的初期，人们就开始关注材料辐 照损伤问题，60 余年来获得了大量的信息和数据. 目前已有一些关于材料辐照损伤的书籍[1−4] ，尤其 是 Was 的著作具有较大影响，其新版著作[1] 较之 旧版增加了 20% 左右的内容，比较全面地介绍了 材料辐照损伤的知识. 郭立平等[3] 的著作的特点 则主要是从位错环的角度来介绍材料辐照损伤. 然而，仍有许多新的研究结果未能包含在这些书 籍之中. 在辐照损伤理论、材料辐照实验、以及抗 辐照肿胀材料开发等方面，也还存在许多重大问 题有待解决. 其中，自间隙原子团簇的一维迁移现 象近来比较受人关注，正在成为材料辐照损伤基 础研究领域中新的热点. 2    点缺陷与点缺陷团簇 高能粒子的辐照在材料中会产生弗伦克尔点 缺陷对（Frenkel pair），即间隙原子（Interstitial atom） 和空位（Vacancy）. 这些间隙原子与材料基体原子 相同，又可称为自间隙原子（ Self interstitial atom, SIA），以区别由那些尺寸更小的杂质原子形成的 间隙原子. 高能粒子辐照产生的点缺陷是产生材 料辐照损伤的根源. 对于形成点缺陷的级联碰撞 过程，以分子动力学为主的计算机模拟研究做出 了很大贡献[5] . 但是，除了点缺陷的形成过程之 外，人们更需要知道，这些点缺陷形成之后是如何 演化的. 2.1    偏压对点缺陷演化的影响 在辐照过程中，自间隙原子与空位是成对产 生的，二者的总数量相等. 自间隙原子与空位相互 结合后，晶体则会恢复到生成点缺陷之前的状态. 假如自间隙原子与空位的性能基本相同，它们之 间就会很容易复合以至湮灭，这些点缺陷就难以 进一步演化成缺陷团簇，材料辐照损伤也就不会 成为严重的问题. 从这个思路来说，尽量提高弗伦 克尔点缺陷对的复合比例，是提高材料抗辐照性 能的关键. 不巧的是，自间隙原子与空位的特性有很大 不同. 例如，自间隙原子的形成能远大于空位的形 成能，而自间隙原子的迁移能又远小于空位的迁 移能. 在辐照缺陷的形成与演化过程中，有不少因 素使得这两种点缺陷呈现很不相同的行为. 这种 差异一般称为偏压（Bias）. 关于点缺陷的偏压有 两种，产生偏压（Production bias）和陷阱偏压（Sink bias）. 在辐照级联过程所产生的自间隙原子与空 位的分布区域中，有一个很明显的特征. 在这个区 域中心附近的点缺陷主要是大量的空位，而自间 隙原子则分布在空位区域的周围. 这样形成的空 位和自间隙原子的浓度差异，称为产生偏压. 产生 偏压的存在，对于辐照肿胀时的空洞形核具有重 要意义. 材料中能够大量吸收点缺陷的地方称为 “缺陷陷阱”（Sink，有的文献称为“缺陷位闾”）. 一 般来说，缺陷陷阱吸收自间隙原子的数量要多于 空位的数量，表征这一差异的量是陷阱偏压. 陷 阱偏压越大，意味着该陷阱吸收的自间隙原子越 多，从而导致残留的空位浓度远大于自间隙原子 浓度. 2.2    点缺陷团簇的类型 由于点缺陷周围存在着的应变场，如果点缺 陷聚集在一起形成团簇，与单个的点缺陷相比，将 能降低应变能. 空位团簇与自间隙原子团簇的行 为也有着很大差异. 空位团簇的形式比较复杂，一般有空洞、层错 四面体、位错环等几种. 除了辐照方法之外，通过 淬火方法形成的肖特基缺陷就是点缺陷空位，这 些肖特基缺陷也可以形成空位团簇. · 1536 · 工程科学学报，第 42 卷，第 12 期