保护锆合金免受脆化的新方法

材料牛注：MIT的研究人员最近通过研究锆合金的氢脆现象，发现了一种可以显著提高其抗氢脆能力的方法，该方法可以大幅延长核反应所用锆合金使用寿命。更可喜的是，这种方法还可以广泛用于各种表面可形成氧化膜的合金。

锆基合金是一种用途广泛的重要材料，它在很多领域（如核反应中做保护燃料的包壳）中的作用无可替代。但即使是最好的合金，面对高温，辐射，富氢等环境时候，仍免不了慢慢失效。但这种情况不久之后便会改变，来自MIT的科研团队发现了一种可以大幅度减少氢接触危害的方法。

该团队主要研究的是常用于核工业的锆合金，但他们的研究成果也适用于能源系统和基础设施中的很多合金。反应器中的冷冻液分解会产生水，这些水分子又会释放氢进入金属并与之反应。这些反应会导致延展性的大幅降低，过早开裂等危害。对于核电站来说，保护燃料的包壳非常重要，因此研发能提高其寿命的方法非常必要。

一位艺术家所作的核燃料棒及合金成分预测色彩图

氢原子能否进入金属的关键在于金属表面氧化膜的性质。在高温和水条件下，锆表面会形成保护性的二氧化锆膜。如果设计合理，那么可以靠这层氧化膜阻止氢元素进入金属，或者以气体形式释放氢。虽然科研人员已经研究氢脆几十年了，但是主要集中在氢在金属中的作用、在金属中如何存在、如何导致脆化这些问题上。对于氢如何进入金属，或者它是如何穿透表面氧化膜接触基体、是怎样以气体形式被表面膜排出这些问题却鲜有研究。针对于此该研究团队认为，如果能够弄清这些问题，那么可以成千倍地提高膜阻止氢入内的能力。

氢在穿入金属前会先溶解在氧化膜中，而氢的溶解可以通过引入掺杂元素来控制。研究人员发现氢在氧化膜中的溶解主要取决于掺杂元素将电子引入氧化膜的能力。

有的掺杂元素可以让氢穿透能力最小，有的可以在氧化膜处引入最大量的电子从而让氢以气体形式释放，因此得到最有效保护层的诀窍就是要预知掺杂元素属于哪种类型。科研人员提出两条路线：一条是致力于最小化氢的穿透能力，另一条是尽量将氢以气体形式排出。

掺杂元素可以直接在锆合金基体掺入元素，而合金表面所形成的氧化膜中自然就会存在掺杂元素。并且研究人员强调他们所用的方法是可以用于各种存在氧化膜的合金，这种可以提高使用寿命的方法在多种领域都有极大应用价值。

密歇根大学的一位教授认为这项研究可能解决了在正常条件下核反应堆燃料问题的最大挑战，而且这项重要研究的思路也非常独特，这是第一次有人从物理方向解释锆合金的氢行为。虽然这篇文章并没有解决这种材料的所有问题，但其研究方法将这个问题的讨论推向更高层次，并毫无疑问地将刺激以后在物理基础上的研究。

该研究成果已经发表在Physical Review Applied上

参考链接：New approach to preventing embrittlement could be useful in nuclear reactors

感谢王宇提供素材。