核能的發展與安全性提升，離不開新型核材料的出現以及對于傳統核材料的改進。自2011年福島核事故以來，人們對反應堆包殼材料提出了事故容錯性的迫切需求，即在核安全事故發生后的一段時間內，包殼材料能夠保持其結構與功能的完整性，進而為后續的救助與修復工作爭取時間。近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所核能材料工程實驗室（籌）科研人員應邀在材料領域期刊Scripta Materialia上發表觀點評述，分析了碳化硅纖維增強碳化硅復合材料(liao)核用存在的關鍵問題，以及核能材料(liao)研(yan)發過程(cheng)材料(liao)基因(yin)組技術所能發揮的作用。  

　　新(xin)型的(de)(de)(de)事(shi)故容(rong)錯核(he)(he)(he)(he)(he)燃料(liao)(liao)（Accident Tolerance Fuel，ATF）包(bao)殼材(cai)料(liao)(liao)要求其在(zai)(zai)原(yuan)(yuan)有力學(xue)性(xing)(xing)能(neng)(neng)、抗輻(fu)照(zhao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)和(he)(he)(he)(he)抗腐蝕性(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)基(ji)礎上(shang)，進(jin)一(yi)步提升在(zai)(zai)高(gao)(gao)溫水蒸(zheng)(zheng)氣環(huan)(huan)境(jing)下(xia)的(de)(de)(de)抗氧(yang)化(hua)(hua)性(xing)(xing)能(neng)(neng)以(yi)(yi)及對(dui)(dui)裂(lie)變氣體(ti)的(de)(de)(de)容(rong)納性(xing)(xing)能(neng)(neng)。碳化(hua)(hua)硅纖(xian)(xian)維增強(qiang)碳化(hua)(hua)硅陶瓷(ci)基(ji)復(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)（SiCf/SiC）具(ju)有高(gao)(gao)強(qiang)度(du)(du)、耐高(gao)(gao)溫、耐腐蝕、耐輻(fu)照(zhao)等特(te)性(xing)(xing)，被認為(wei)是應(ying)用(yong)于(yu)(yu)事(shi)故容(rong)錯核(he)(he)(he)(he)(he)燃料(liao)(liao)包(bao)殼、面(mian)向高(gao)(gao)溫輻(fu)照(zhao)環(huan)(huan)境(jing)的(de)(de)(de)結(jie)構組件(jian)和(he)(he)(he)(he)散裂(lie)靶結(jie)構單元、核(he)(he)(he)(he)(he)聚變堆流道插件(jian)等部(bu)(bu)件(jian)的(de)(de)(de)最(zui)(zui)佳(jia)候選(xuan)核(he)(he)(he)(he)(he)用(yong)材(cai)料(liao)(liao)之(zhi)一(yi)。目(mu)前(qian)核(he)(he)(he)(he)(he)用(yong)SiCf/SiC復(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)在(zai)(zai)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子輻(fu)照(zhao)環(huan)(huan)境(jing)下(xia)最(zui)(zui)大的(de)(de)(de)難題(ti)在(zai)(zai)于(yu)(yu)纖(xian)(xian)維與基(ji)體(ti)之(zhi)間(jian)的(de)(de)(de)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)層(ceng)(ceng)(ceng)問題(ti)。由(you)于(yu)(yu)纖(xian)(xian)維和(he)(he)(he)(he)基(ji)體(ti)之(zhi)間(jian)結(jie)晶程(cheng)(cheng)度(du)(du)的(de)(de)(de)不(bu)同和(he)(he)(he)(he)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)層(ceng)(ceng)(ceng)界(jie)面(mian)耐輻(fu)照(zhao)能(neng)(neng)力的(de)(de)(de)限(xian)制(zhi)，低(di)劑(ji)量(liang)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子輻(fu)照(zhao)會造成復(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)內(nei)(nei)部(bu)(bu)產生大量(liang)的(de)(de)(de)微裂(lie)紋，直接導(dao)致輻(fu)照(zhao)后力學(xue)性(xing)(xing)能(neng)(neng)和(he)(he)(he)(he)導(dao)熱(re)能(neng)(neng)力的(de)(de)(de)下(xia)降。觀點評述(shu)對(dui)(dui)熱(re)解碳（Pyrolytic Carbon，PyC）、六方氮化(hua)(hua)硼（Hexagonal-BN）等傳統(tong)界(jie)面(mian)層(ceng)(ceng)(ceng)材(cai)料(liao)(liao)進(jin)行(xing)(xing)(xing)了(le)詳細(xi)分析(xi)，如其耐輻(fu)照(zhao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)較差(cha)或為(wei)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)子毒物(wu)，且(qie)容(rong)易(yi)被氧(yang)化(hua)(hua)，進(jin)而導(dao)致復(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)在(zai)(zai)輻(fu)照(zhao)和(he)(he)(he)(he)氧(yang)化(hua)(hua)環(huan)(huan)境(jing)下(xia)的(de)(de)(de)服役穩定(ding)性(xing)(xing)不(bu)足(zu)。評述(shu)首(shou)次提出利用(yong)三(san)元層(ceng)(ceng)(ceng)狀陶瓷(ci)MAX相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)材(cai)料(liao)(liao)作為(wei)中(zhong)(zhong)(zhong)(zhong)間(jian)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)選(xuan)型。MAX相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)材(cai)料(liao)(liao)兼具(ju)金屬和(he)(he)(he)(he)陶瓷(ci)的(de)(de)(de)特(te)性(xing)(xing)，耐輻(fu)照(zhao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)、抗氧(yang)化(hua)(hua)性(xing)(xing)能(neng)(neng)和(he)(he)(he)(he)斷裂(lie)能(neng)(neng)吸收能(neng)(neng)力優異，可(ke)作為(wei)一(yi)種全(quan)新(xin)的(de)(de)(de)纖(xian)(xian)維增韌陶瓷(ci)基(ji)復(fu)合(he)材(cai)料(liao)(liao)界(jie)面(mian)層(ceng)(ceng)(ceng)。然而，由(you)于(yu)(yu)該類材(cai)料(liao)(liao)制(zhi)備難度(du)(du)高(gao)(gao)，目(mu)前(qian)國(guo)(guo)內(nei)(nei)外(wai)(wai)尚無(wu)在(zai)(zai)纖(xian)(xian)維表(biao)面(mian)制(zhi)備MAX相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)界(jie)面(mian)層(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)關報(bao)道。以(yi)(yi)往(wang)，寧(ning)波材(cai)料(liao)(liao)所(suo)核(he)(he)(he)(he)(he)能(neng)(neng)材(cai)料(liao)(liao)工(gong)程(cheng)(cheng)實驗室（籌）介紹了(le)近期開發(fa)的(de)(de)(de)一(yi)種以(yi)(yi)高(gao)(gao)溫離(li)子液(ye)體(ti)為(wei)介質、基(ji)于(yu)(yu)原(yuan)(yuan)位(wei)反(fan)應(ying)的(de)(de)(de)纖(xian)(xian)維表(biao)面(mian)MAX相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)制(zhi)備工(gong)藝(yi)，首(shou)次在(zai)(zai)碳纖(xian)(xian)維表(biao)面(mian)和(he)(he)(he)(he)碳化(hua)(hua)硅纖(xian)(xian)維表(biao)面(mian)制(zhi)備出了(le)均(jun)勻的(de)(de)(de)、厚(hou)度(du)(du)可(ke)控的(de)(de)(de)MAX相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)。涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)內(nei)(nei)部(bu)(bu)有一(yi)層(ceng)(ceng)(ceng)較薄的(de)(de)(de)多(duo)晶TiC過(guo)渡層(ceng)(ceng)(ceng)，外(wai)(wai)部(bu)(bu)為(wei)MAX相(xiang)(xiang)(xiang)(xiang)Ti2AlC層(ceng)(ceng)(ceng)。通過(guo)改(gai)變反(fan)應(ying)條件(jian)，可(ke)以(yi)(yi)有效(xiao)(xiao)控制(zhi)涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)厚(hou)度(du)(du)和(he)(he)(he)(he)表(biao)面(mian)形貌(mao)。研究(jiu)表(biao)明(ming)，在(zai)(zai)高(gao)(gao)溫空(kong)氣氧(yang)化(hua)(hua)和(he)(he)(he)(he)水蒸(zheng)(zheng)氣氧(yang)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)條件(jian)下(xia)，該涂(tu)(tu)層(ceng)(ceng)(ceng)均(jun)可(ke)以(yi)(yi)為(wei)碳纖(xian)(xian)維與碳化(hua)(hua)硅纖(xian)(xian)維提供有效(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)抗氧(yang)化(hua)(hua)保護。該工(gong)作一(yi)經發(fa)表(biao)即引起了(le)國(guo)(guo)際(ji)同行(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)廣泛(fan)興趣，美國(guo)(guo)橡樹嶺國(guo)(guo)家實驗室核(he)(he)(he)(he)(he)聚變材(cai)料(liao)(liao)研究(jiu)者Takaaki Koyanaki在(zai)(zai)第(di)十八屆(jie)國(guo)(guo)際(ji)核(he)(he)(he)(he)(he)聚變材(cai)料(liao)(liao)大會上(shang)專門對(dui)(dui)本工(gong)作進(jin)行(xing)(xing)(xing)了(le)介紹。

　　針(zhen)(zhen)對(dui)(dui)核能(neng)(neng)產業對(dui)(dui)新(xin)型ATF包(bao)殼材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)迫切(qie)需求(qiu)，縮(suo)短(duan)該(gai)類材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)發周期，寧波材(cai)(cai)(cai)料(liao)所核能(neng)(neng)材(cai)(cai)(cai)料(liao)工(gong)程(cheng)(cheng)實(shi)(shi)驗室（籌）理(li)(li)論(lun)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)團(tuan)隊(dui)提出了使(shi)用材(cai)(cai)(cai)料(liao)基因組(zu)(zu)方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)對(dui)(dui)ATF包(bao)殼材(cai)(cai)(cai)料(liao)進行(xing)優(you)化(hua)設(she)計。在(zai)該(gai)設(she)計策略中(zhong)(zhong)，研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)人員針(zhen)(zhen)對(dui)(dui)材(cai)(cai)(cai)料(liao)從其微(wei)觀(guan)(guan)組(zu)(zu)織結(jie)(jie)(jie)構(gou)預(yu)測宏(hong)觀(guan)(guan)性(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)困(kun)難，通過(guo)捕捉不同(tong)(tong)尺度(du)(du)(du)下(xia)理(li)(li)論(lun)模(mo)型的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)重點，建(jian)立起了一套以各(ge)尺度(du)(du)(du)算(suan)(suan)法(fa)(fa)間參(can)數傳(chuan)遞(di)為(wei)中(zhong)(zhong)心的(de)(de)(de)(de)(de)多尺度(du)(du)(du)耦合(he)計算(suan)(suan)方(fang)(fang)(fang)案(an)（如圖2）。在(zai)該(gai)方(fang)(fang)(fang)案(an)的(de)(de)(de)(de)(de)實(shi)(shi)施過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)，研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)人員首先在(zai)納觀(guan)(guan)尺度(du)(du)(du)上利用第一性(xing)(xing)原理(li)(li)方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)研(yan)究(jiu)(jiu)(jiu)單晶(jing)(jing)(jing)材(cai)(cai)(cai)料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)力(li)學與能(neng)(neng)量參(can)數，其計算(suan)(suan)結(jie)(jie)(jie)果同(tong)(tong)時也用于擬(ni)合(he)分子(zi)動力(li)學使(shi)用的(de)(de)(de)(de)(de)勢(shi)能(neng)(neng)力(li)場(chang)。在(zai)微(wei)觀(guan)(guan)尺度(du)(du)(du)上，利用分子(zi)動力(li)學計算(suan)(suan)微(wei)觀(guan)(guan)缺(que)陷在(zai)材(cai)(cai)(cai)料(liao)內的(de)(de)(de)(de)(de)分布、運(yun)(yun)動行(xing)為(wei)以及對(dui)(dui)材(cai)(cai)(cai)料(liao)性(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響，將(jiang)結(jie)(jie)(jie)果傳(chuan)遞(di)為(wei)相(xiang)場(chang)與有限元計算(suan)(suan)。在(zai)介觀(guan)(guan)尺度(du)(du)(du)上，使(shi)用結(jie)(jie)(jie)合(he)了晶(jing)(jing)(jing)體塑性(xing)(xing)理(li)(li)論(lun)模(mo)型的(de)(de)(de)(de)(de)相(xiang)場(chang)方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)，模(mo)擬(ni)冷軋與熱加(jia)工(gong)過(guo)程(cheng)(cheng)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)演化(hua)過(guo)程(cheng)(cheng)，找出加(jia)工(gong)工(gong)藝參(can)數對(dui)(dui)材(cai)(cai)(cai)料(liao)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)分度(du)(du)(du)等微(wei)觀(guan)(guan)組(zu)(zu)織結(jie)(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響。在(zai)宏(hong)觀(guan)(guan)尺度(du)(du)(du)上，通過(guo)有限元模(mo)擬(ni)實(shi)(shi)現對(dui)(dui)多晶(jing)(jing)(jing)材(cai)(cai)(cai)料(liao)宏(hong)觀(guan)(guan)力(li)學、熱學性(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)預(yu)測，最終得到(dao)應力(li)應變曲線、溫度(du)(du)(du)場(chang)應力(li)場(chang)分布等關鍵(jian)工(gong)程(cheng)(cheng)參(can)數。整(zheng)個計算(suan)(suan)方(fang)(fang)(fang)案(an)通過(guo)將(jiang)數據從低尺度(du)(du)(du)向高尺度(du)(du)(du)的(de)(de)(de)(de)(de)傳(chuan)遞(di)，解(jie)決了不同(tong)(tong)尺度(du)(du)(du)下(xia)理(li)(li)論(lun)計算(suan)(suan)的(de)(de)(de)(de)(de)耦合(he)問題，實(shi)(shi)現了運(yun)(yun)用材(cai)(cai)(cai)料(liao)基因組(zu)(zu)方(fang)(fang)(fang)法(fa)(fa)對(dui)(dui)宏(hong)觀(guan)(guan)熱力(li)學性(xing)(xing)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)有效預(yu)測。

　　上述(shu)觀點評述(shu)文章發(fa)表在(zai)Scripta Materialia特邀(yao)核(he)能材(cai)料專刊上。寧波(bo)材(cai)料所研(yan)究員黃慶為本期專刊的(de)客座編輯之一。以上研(yan)究得到了國家重點研(yan)發(fa)計劃、國家自然科學基金以及中科院戰略先導科技專項的(de)資助(zhu)。

圖1.碳化硅纖維表面MAX相涂層的形貌

圖2.材料基因組思想下先進核能包殼材料的多尺度模擬耦合方案