Mn+1AXn相（MAX相）是一大類熱力學(xué)穩定、具有密排六方結構的層狀陶瓷材料。M代表前過(guò)渡金屬（如Ti、V、Cr等）；A代表IIIA或IVA主族元素（如Al、Si等）；X代表C或N。MAX相的獨特晶體結構由密堆的M6X八面(miàn)體層和A原子層交互叠排組成(chéng)，這(zhè)一結構使其兼備金屬和陶瓷的優良性能(néng)，如高導熱、可機械加工、高彈性模量、抗氧化、耐腐蝕、抗輻照損傷等。因此，該類材料在複雜苛刻的服役工況下具有良好(hǎo)的應用前景。在事(shì)故容錯燃料（ATF）系統的開(kāi)發(fā)當中，MAX相已被(bèi)視作一種(zhǒng)新型的候選核燃料包殼材料。該方面(miàn)的技術需求，随著(zhe)2011年日本福島核電站爆炸事(shì)故的發(fā)生，而日顯迫切。

　　將(jiāng)MAX相PVD塗層塗覆在锆合金包殼管外，提高其事(shì)故容錯能(néng)力，是當前ATF各類研究中的一種(zhǒng)重要策略。在盡量不改變現有核電系統設計的前提下，它可以利用成(chéng)熟的锆合金包殼管加工技術，具有研發(fā)周期短、相對(duì)經(jīng)濟等優勢。然而，該方法的實施受制于缺乏合适的PVD技術實現高質量MAX相塗層的制備，尤其是低溫非外延制備技術。PVD的過(guò)程往往極端遠離熱力學(xué)平衡态，沉積原子的冷卻速度極快，因此通常導緻難以形成(chéng)晶體學(xué)上較爲有序的結構；而對(duì)于晶體結構複雜、中間競争相衆多的MAX相而言，PVD制備技術的困難則爲更大。在國(guó)内外過(guò)去15年的研究中，對(duì)于有重要核用前景的Ti2AlC和V2AlC體系，都(dōu)是采用高溫外延或沉積後(hòu)高溫退火技術制備MAX相塗層，研究集中于結構表征或基本物性的測量，針對(duì)锆合金防護應用的基礎研究極少（圖1）。

　　近期，甯波材料所核能(néng)材料工程實驗室（籌）的研究人員，運用自主研發(fā)的高離子化磁控濺射技術，成(chéng)功實現了低溫非外延制備晶态V2AlC和Ti2AlC塗層（圖2）。通過(guò)引入高束流低能(néng)離子輻照，首次在锆合金、氧化矽、玻璃等基底上低溫（600°C）制備V2AlC和Ti2AlC晶态塗層（晶态成(chéng)分含量>90%）。Mn+1AXn相晶粒在膜基界面(miàn)處随機成(chéng)核，通過(guò)競争性生長(cháng)形成(chéng)（110）擇優取向(xiàng)的塗層（圖3）。通過(guò)利用核反應過(guò)程中十分常見的嬗變元素He作爲入射離子，并對(duì)輻照後(hòu)樣(yàng)品進(jìn)行微觀分析，發(fā)現He離子更易于在塗層/基體界面(miàn)處聚集并且形成(chéng)He泡。V2AlC塗層沿著(zhe)生長(cháng)方向(xiàng)具有特殊的梯度結構：在靠近基體表面(miàn)附近的晶粒小，界面(miàn)多，遠離表面(miàn)的區域晶粒逐漸變大，這(zhè)種(zhǒng)梯度結構分布可防止He泡的過(guò)度聚集、長(cháng)大（圖4）。通過(guò)“低溫非外延一步法”，可擺脫晶态Mn+1AXn相塗層對(duì)單晶外延基底和高溫工藝的依賴，促進(jìn)了Mn+1AXn相塗層在锆合金包殼管上的實際應用。輻照損傷研究則爲锆合金包殼管表面(miàn)防護塗層的開(kāi)發(fā)提供了最直接的參考數據。

　　本項目受到國(guó)家自然科學(xué)基金（91226202、91426304）和中科院先導專項（XDA 02040105、XDA03010305）的資助；相關結果發(fā)表在塗層領域的主流材料期刊Scripta Materialia和Vacuum上（Scripta Materialia 137 (2017) 13-17, Vacuum 146 (2017) 106-110）。

圖1 MAX相晶體結構和MAX塗層的制備溫度-晶相純度關系

圖2 經(jīng)低溫非外延制備MAX相塗層後(hòu)的樣(yàng)品

圖3 非外延生長(cháng)晶态V2AlC塗層的微結構演變過(guò)程

　　 圖4 經(jīng)過(guò)不同劑量輻照後(hòu)的塗層-基底微結構圖 (a) 2×；(b) 5×

　　（核能(néng)材料工程實驗室（籌） 葛芳芳 王霁）