在先進核反應堆、太陽能儲熱系統等前沿領域，熔鹽憑借優異的耐高溫和傳熱性能成為核心材料。但與之接觸的金屬合金卻面臨一個隱蔽威脅：在高溫熔鹽中，合金會逐漸發生 “脫合金化”，形成納米級多孔結構，而這些結構會進一步 “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制，為熔鹽設備的安全設計提供了關鍵理論支撐。

01正文內容

一、高溫熔鹽中的 “隱形老化”：合金為何變 “多孔”？

當金屬合金（如核反應堆常用的 Ni-20Cr 合金）長期處于 800℃左右的熔融鹽（如 KCl-MgCl?）中時，會發生 “脫合金化”：合金中的部分元素（如 Cr）優先溶解到熔鹽中，剩余的 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，科學家們推測粗化可能由三種機制驅動：

表面擴散：原子沿固體表面移動，從高曲率區域（小孔隙）向低曲率區域（大孔隙）遷移；

固體體擴散：原子通過內部空位 “穿梭”，實現宏觀結構調整；

液體體擴散：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。

但由于缺乏直接觀測手段，哪種機制起主導作用始終是個謎。

二、“雙劍合璧” 的研究方法：從實時成像到數字模擬

為破解這一難題，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 分鐘至 211 分鐘內多孔結構的演化。這種技術相當于給材料做 “動態 CT”，能捕捉到納米級孔隙的生長、合并過程。

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 - 液界面的動態變化，分別模擬三種擴散機制下的粗化過程。模型中的 “序參量”（φ）就像一個 “開關”——φ=1 代表固體 Ni，φ=0 代表熔鹽，通過數學方程追蹤界面移動軌跡。

三、關鍵發現：表面擴散是 “主謀”，擴散系數浮出水面

通過對比實驗數據與模擬結果，研究團隊得出了明確結論：

表面擴散匹配度最高

實驗中觀察到的兩個核心特征 —— 合金線半徑減小（約 0.4μm）、外層結構致密化（表面孔隙閉合形成 “硬殼”），在表面擴散模擬中重現。而固體體擴散需要合金內部空位濃度達到平衡值的 10?倍（現實中難以實現），液體體擴散則因熔鹽中 Ni2?濃度過低被排除。

量化 “老化速度”：表面擴散系數

基于模擬與實驗的時間尺度匹配，研究計算出 Ni 在熔鹽界面的表面擴散系數為 8.9×10?2? m3/s，這一數值與 Ni 在真空環境中的表面擴散數據高度吻合，說明熔鹽的存在并未顯著改變 Ni 的表面遷移規律。

四、未解之謎：后期為何出現 “偏差”？

盡管表面擴散是主導機制，但實驗后期（>120 分鐘）的微觀結構與模擬仍存在差異：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，這可能與殘留 Cr 的持續溶解有關 —— 未溶解的 Cr 會改變界面能，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？

這項研究不僅揭示了科學機理，更為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 的表面擴散系數，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，避免被表面的 “硬殼” 掩蓋內部結構損傷；

工藝優化：控制熔鹽純度（如減少雜質離子），降低 Cr 的溶解速率，從源頭減緩多孔結構形成。

結語

從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制與工程應用的橋梁。隨著相場模擬與原位成像技術的進一步結合，未來我們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圖文內容

圖 1. 示意圖（a）為實驗裝置（未按比例繪制），（b）為所研究的粗化機制。在（b）中，含鎳物質通過不同機制的擴散通量（淺綠色表示液體體擴散，棕色表示表面擴散，紅色表示固體體擴散），箭頭指示物質從高曲率（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 和界面法向量 n（藍色箭頭）的符號約定相對于固相進行標注。

圖 2.（a）經平滑處理的初始狀態下金屬絲中心附近的垂直橫截面，其中實線紅線近似表示金屬絲的中心軸。虛線之間的區域用于計算距離金屬絲某一徑向距離處的歸一化密度。為便于可視化，該殼層區域的面積相較于徑向分布函數（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），豎線標示出柱體半徑（\(r_{cyl}\)）在 RDF 上的位置。柱體半徑（\(r_{cyl}\)）的值是通過在歸一化密度閾值為 0.3 處對 RDF 進行線性插值得到的。

圖 3.我們匹配模擬和實驗時間尺度的方法，以液體整體擴散情況為例作為用于匹配的特征。圖 4. φ 的橫截面視圖（黃色表示 φ=1，紫色表示 φ=0）以及 φ=0.5 等值面的側視圖。橫截面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生的偽影。圖 5. 實驗數據與模擬數據的徑向分布函數（RDF）之間的平均相對誤差\(F_{RDF}\)，分別對應（a）表面擴散情況、（b）固體體擴散情況和（c）液體體擴散情況。藍色區域對應較小的誤差，即實驗與模擬微觀結構的匹配度較高；黃色區域對應較大的誤差。每個子圖中，產生最小累積差異的線以紅線顯示，其斜率為\(\tau_{RDF}\)。\(\tau_{RDF}\)的值及相應的\(F_{RDF}\)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. 金屬絲微觀結構中的平均曲率分布，具體為表面擴散模擬在模擬時間\(t_{sim}=3700\)時的結果。（a）φ=0.5 等值面按平均曲率著色，左側為整個金屬絲結構，右側為顯示金屬絲內部的局部放大圖。（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。左側的結構因透視關系未按比例繪制。免責聲明