在優(you) 良核反應堆、太陽能儲(chu) 熱係統等前沿領域，熔鹽憑借優(you) 異的耐高溫和傳(chuan) 熱性能成為(wei) 核心材料。但與(yu) 之接觸的金屬合金卻麵臨(lin) 一個(ge) 隱蔽威脅：在高溫熔鹽中，合金會(hui) 逐漸發生 “脫合金化"，形成納米級多孔結構，而這些結構會(hui) 進一步 “粗化"（孔隙變大、韌帶變粗），最終導致材料強度驟降。近日，一項發表在《Acta Materialia》的研究通過相場模擬與(yu) 原位 X 射線納米斷層掃描的結合，明確了這一過程的主導機製，為(wei) 熔鹽設備的安全設計提供了關(guan) 鍵理論支撐。
01正文內(nei) 容
一、高溫熔鹽中的 “隱形老化"：合金為(wei) 何變 “多孔"？
當金屬合金（如核反應堆常用的 Ni-20Cr 合金）長期處於(yu) 800℃左右的熔融鹽（如 KCl-MgCl₂）中時，會(hui) 發生 “脫合金化"：合金中的部分元素（如 Cr）優(you) 先溶解到熔鹽中，剩餘(yu) 的 Ni 則形成相互連通的納米多孔結構。這種結構看似穩定，實則在高溫下會(hui) 持續 “粗化"—— 小孔隙逐漸消失，大孔隙不斷長大，就像海綿被 “撐大"，最終導致材料力學性能惡化。
此前，科學家們(men) 推測粗化可能由三種機製驅動：
表麵擴散：原子沿固體(ti) 表麵移動，從(cong) 高曲率區域（小孔隙）向低曲率區域（大孔隙）遷移；
固體(ti) 體(ti) 擴散：原子通過內(nei) 部空位 “穿梭"，實現宏觀結構調整；
液體(ti) 體(ti) 擴散：溶解的金屬離子（如 Ni²⁺）在熔鹽中遷移，重新沉積形成更大孔隙。
但由於(yu) 缺乏直接觀測手段，哪種機製起主導作用始終是個(ge) 謎。
二、“雙劍合璧" 的研究方法：從(cong) 實時成像到數字模擬
為(wei) 破解這一難題，研究團隊采用了 “實驗觀測 + 計算機模擬" 的交叉手段：
原位 X 射線納米斷層掃描
利用同步輻射光源的高分辨率，對 800℃熔鹽中的 Ni-20Cr 合金進行 “實時 3D 掃描"，連續記錄 65 分鍾至 211 分鍾內(nei) 多孔結構的演化。這種技術相當於(yu) 給材料做 “動態 CT"，能捕捉到納米級孔隙的生長、合並過程。
相場模擬構建 “數字孿生"
在計算機中重現微觀：通過 “相場模型" 描述固 - 液界麵的動態變化，分別模擬三種擴散機製下的粗化過程。模型中的 “序參量"（φ）就像一個(ge) “開關(guan) "——φ=1 代表固體(ti) Ni，φ=0 代表熔鹽，通過數學方程追蹤界麵移動軌跡。
三、關(guan) 鍵發現：表麵擴散是 “主謀"，擴散係數浮出水麵
通過對比實驗數據與(yu) 模擬結果，研究團隊得出了明確結論：
表麵擴散匹配度最高
實驗中觀察到的兩(liang) 個(ge) 核心特征 —— 合金線半徑減小（約 0.4μm）、外層結構致密化（表麵孔隙閉合形成 “硬殼"），在表麵擴散模擬中重現。而固體(ti) 體(ti) 擴散需要合金內(nei) 部空位濃度達到平衡值的 10⁴倍（現實中難以實現），液體(ti) 體(ti) 擴散則因熔鹽中 Ni²⁺濃度過低被排除。
量化 “老化速度"：表麵擴散係數
基於(yu) 模擬與(yu) 實驗的時間尺度匹配，研究計算出 Ni 在熔鹽界麵的表麵擴散係數為(wei) 8.9×10⁻²⁰ m³/s，這一數值與(yu) Ni 在真空環境中的表麵擴散數據高度吻合，說明熔鹽的存在並未顯著改變 Ni 的表麵遷移規律。
四、未解之謎：後期為(wei) 何出現 “偏差"？
盡管表麵擴散是主導機製，但實驗後期（>120 分鍾）的微觀結構與(yu) 模擬仍存在差異：實驗中孔隙的 “徑向分布"（不同位置的孔隙密度）比模擬更平緩。研究團隊推測，這可能與(yu) 殘留 Cr 的持續溶解有關(guan) —— 未溶解的 Cr 會(hui) 改變界麵能，間接影響原子遷移路徑。此外，合金的結晶各向異性（不同方向的原子擴散速度不同）也可能導致模擬簡化與(yu) 實際情況的偏差。
五、對工程應用的啟示：如何讓熔鹽設備更耐用？
這項研究不僅(jin) 揭示了科學機理，更為(wei) 工程實踐提供了方向：
材料設計：可通過添加微量元素（如 Al、Ti）降低 Ni 的表麵擴散係數，延緩粗化；
檢測技術：需開發針對 “外層致密化" 的無損檢測方法，避免被表麵的 “硬殼" 掩蓋內(nei) 部結構損傷(shang) ；
工藝優(you) 化：控製熔鹽純度（如減少雜質離子），降低 Cr 的溶解速率，從(cong) 源頭減緩多孔結構形成。
結語
從(cong) 納米級的孔隙演化到宏觀設備的安全運行，這項研究架起了微觀機製與(yu) 工程應用的橋梁。隨著相場模擬與(yu) 原位成像技術的進一步結合，未來我們(men) 有望精準預測不同合金在熔鹽中的 “壽命曲線"，讓高溫熔鹽技術在新能源、核能領域發揮更大潛力。02圖文內(nei) 容
圖 1. 示意圖（a）為(wei) 實驗裝置（未按比例繪製），（b）為(wei) 所研究的粗化機製。在（b）中，含鎳物質通過不同機製的擴散通量（淺綠色表示液體(ti) 體(ti) 擴散，棕色表示表麵擴散，紅色表示固體(ti) 體(ti) 擴散），箭頭指示物質從(cong) 高曲率（H）區域流向低曲率區域，而空位的擴散通量（灰色虛線）方向相反。平均曲率 H 和界麵法向量 n（藍色箭頭）的符號約定相對於(yu) 固相進行標注。
圖 2.（a）經平滑處理的初始狀態下金屬絲(si) 中心附近的垂直橫截麵，其中實線紅線近似表示金屬絲(si) 的中心軸。虛線之間的區域用於(yu) 計算距離金屬絲(si) 某一徑向距離處的歸一化密度。為(wei) 便於(yu) 可視化，該殼層區域的麵積相較於(yu) 徑向分布函數（RDF）計算中實際使用的步長有所放大。（b）初始狀態的徑向分布函數（RDF），豎線標示出柱體(ti) 半徑（\(r_\)）在 RDF 上的位置。柱體(ti) 半徑（\(r_\)）的值是通過在歸一化密度閾值為(wei) 0.3 處對 RDF 進行線性插值得到的。
圖 3.我們(men) 匹配模擬和實驗時間尺度的方法，以液體(ti) 整體(ti) 擴散情況為(wei) 例作為(wei) 用於(yu) 匹配的特征。圖 4. φ 的橫截麵視圖（黃色表示 φ=1，紫色表示 φ=0）以及 φ=0.5 等值麵的側(ce) 視圖。橫截麵視圖取自計算域的中心而非邊緣，以避免因域邊界施加的諾伊曼邊界條件而產(chan) 生的偽(wei) 影。圖 5. 實驗數據與(yu) 模擬數據的徑向分布函數（RDF）之間的平均相對誤差\(F_\)，分別對應（a）表麵擴散情況、（b）固體(ti) 體(ti) 擴散情況和（c）液體(ti) 體(ti) 擴散情況。藍色區域對應較小的誤差，即實驗與(yu) 模擬微觀結構的匹配度較高；黃色區域對應較大的誤差。每個(ge) 子圖中，產(chan) 生最小累積差異的線以紅線顯示，其斜率為(wei) \(\tau_\)。\(\tau_\)的值及相應的\(F_\)值標注在圖的上方。黑色加號代表圖 7 中相同顏色所繪徑向分布函數（RDF）的時間坐標。圖 6. 金屬絲(si) 微觀結構中的平均曲率分布，具體(ti) 為(wei) 表麵擴散模擬在模擬時間\(t_=3700\)時的結果。（a）φ=0.5 等值麵按平均曲率著色，左側(ce) 為(wei) 整個(ge) 金屬絲(si) 結構，右側(ce) 為(wei) 顯示金屬絲(si) 內(nei) 部的局部放大圖。（b）平均曲率 H 的徑向函數（藍色圓圈，左縱軸）和徑向分布函數（紅色曲線，右縱軸）。金屬絲(si) 的外邊緣包含更多具有正平均曲率的區域，在（a）中呈紅色；而金屬絲(si) 的中心包含更多具有顯著負平均曲率的特征，在（a）中呈深紫色。左側(ce) 的結構因透視關(guan) 係未按比例繪製。免責聲明
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