多晶材料的性能通常受其晶界（GBs）的控制，通常GBs的原子结构和化学组成的变化会极大改变材料的机械强度，耐腐蚀性，辐射耐受性和对放射性裂变产物的不渗透性。已在许多金属合金中观察到辐射诱导的偏析（RIS）。在辐照条件下，中子、离子等入射粒子的轰击会产生大量的Frenkel缺陷对。这些缺陷可以相互重组，也可以迁移到缺陷槽，如表面和GBs。尽管在金属中这是众所周知的现象，但很少研究陶瓷中的RIS。特别地，许多陶瓷会形成线化合物（例如碳化硅（SiC）），这是一个尚待解决的问题，即形成线化合物的材料是否可以表现出RIS。此外，利用像差校正扫描透射电子显微镜（STEM）中的电子能量损失谱（EELS）中，已经发现了陶瓷中主要成分SiC中的碳存在RIS。有趣的是，SiC中发生的偏析比金属中的典型RIS具有低得多的照射温度。这表明对金属中RIS的解释不能简单地转移到陶瓷中。与金属合金不同，陶瓷在缺陷反应和缺陷可以迁移的多个亚晶格中具有更为复杂的能量分布。

有鉴于此，威斯康星大学麦迪逊分校Xing Wang，Izabela Szlufarska报道了一个从头算的速率理论模型，该模型再现并阐明了RIS随温度的趋势。计算表明，GBs上的非化学计量缺陷通量受缺陷迁移能垒和复合垒的控制，从而导致RIS在SiC中的独特温度依赖性。

文章要点

1）研究发现，尽管陶瓷形成的线状化合物具有很强的抵抗非化学计量比的热力学驱动力，但辐射可以诱导陶瓷中的一种组成元素显著偏析到GBs。当辐照温度为300 °C时，碳化硅在晶界附近富集，而当辐照温度为600 °C时，富集程度减弱。这种辐射诱导偏析的温度依赖性与金属体系不同。

2）使用从头算的率理论模型，研究人员证明了这种差异是由共价体系中存在的独特缺陷能态引起的。此外，研究发现通过化学气相沉积法生长的未辐照碳化硅中的晶界本质上是贫碳的。

该研究表明，固有的晶界化学及其在辐射下的演化对于理解与晶界相关的陶瓷的许多特性具有重要意义。

Wang, X., Zhang, H., Baba, T. et al. Radiation-induced segregation in a ceramic. Nat. Mater. (2020)

DOI：10.1038/s41563-020-0683-y

https://doi.org/10.1038/s41563-020-0683-y