武汉大学Matter：智能3D网络纳米复合材料用于收集辐射诱发的“垃圾”

Nanoyu

2020-09-08

开发具有出色的热和机械性能以及自修复能力的抗辐射材料，对于先进的核能系统仍然是一个巨大的挑战。众所周知，铁基材料在核工业中被广泛用作结构材料。

有鉴于此，武汉大学任峰教授报道了选择块状Fe-CNT纳米复合材料作为智能三维网络纳米复合材料的研究模型材料。结果表明，将三维（3D）碳纳米管（CNT）网络引入到铁纳米晶（Fe NCs）中来获得功能性块状FeCNT纳米复合材料，在不牺牲强度的情况下表现出比Fe NCs高得多的热导率和机械性能。

文章要点

1）研究人员选择放电等离子烧结(SPS)法制备的Fe-CNT纳米复合材料和纯Fe NCS作为模型材料进行研究。TEM图像显示了不同倍率下具有随机取向GBs的Fe NCs和Fe-1CNT纳米复合材料。同时，无规则取向的碳纳米管均匀分散在多晶Fe纳米晶中。特别地，碳纳米管沿GBs分布，以构建嵌入在Fe NCs中的3D CNT网络。HRTEM图像显示，GBs和Fe基体与碳纳米管紧密相连。压缩工程应力-应变曲线显示，Fe-CNT纳米复合材料比Fe NCs具有更高的压缩塑性和加工硬化能力，而强度没有明显的损失。

2）在高通量He⁺离子辐照和高温高能重Kr³⁺离子辐照下，研究发现3D CNT网络作为“纳米垃圾桶”，具有丰富的晶界（GBs），不仅可以直接捕获和存储附近的He原子和缺陷，而且可以存储最初被GBs俘获的He原子和缺陷，然后将它们沿GBs输运并卸载到CNTs中。因此，可以大大减少国标的脆化和基体裂纹，以及孔洞膨胀。同时，通过嵌入的碳纳米管网络进行快速的热传递和应力载荷传递，可以提高材料的导热性能和机械完整性。

该块状智能3D网络纳米复合材料具有改善的机械完整性、热传输以及高辐射损伤的自愈特性，为结构材料的设计提供了一种变革性的策略，以应对核能应用中的大量变形产物和严重的位移损伤以及强烈的热机械应力。

Tang et al., Smart 3D Network Nanocomposites Collect Irradiation-Induced ‘‘Trash’’, Matter (2020)

DOI：10.1016/j.matt.2020.08.010

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.08.010