近日，山东大学前沿交叉科学青岛研究院粒子与物质相互作用团队高宁教授与中国科学院金属研究所王镇波研究员、中国科学院近代物理研究所赵红卫院士研究团队合作，在核能材料领域取得重要研究进展，于12月11日在国际顶级学术期刊Nature Communications（IF：15.7，中科院1区Top）上在线发表题为“Improved Radiation Resistance in Metals via Adaptive Martensitic Transformation”的研究成果。该研究创新性地提出了“自适应马氏体相变”强化金属材料抗辐照性能策略，在核级304奥氏体不锈钢中成功构筑了由高密度层错组成的特殊纳米结构，首次实现了将辐照诱导的有害的马氏体相变过程转变为有益的抗辐照新途径，在显著提升材料抗辐照性能的同时，保持了优异的力学性能。山东大学高宁教授和中科院金属所王镇波研究员为论文共同通讯作者，山东大学博士生董怡斌和中科院金属所博士生张澍为论文共同第一作者。

研究人员通过表面纳米化技术在核级304奥氏体不锈钢中制备了由低能界面、高密度层错、三维位错网络组成的特殊纳米结构，微观结构表征表明在高剂量（155dpa）辐照后，梯度纳米结构的晶粒尺寸仍稳定在纳米晶结构，且辐照缺陷密度和尺寸显著低于粗晶样品。此外，与粗晶样品相比，梯度纳米结构样品表现出了极为反常的辐照缺陷密度和尺寸的变化趋势，与其他纳米结构材料相比，其归一化辐照位错环密度在高剂量辐照时仍处于极低水平，证实了高剂量辐照下存在着极为高效的吸收材料辐照缺陷的势阱。

图1 梯度纳米结构304核级不锈钢样品的微观结构

通过微观结构表征和分子动力学模拟确定，这一现象与材料中预制的高密度层错密切相关，辐照缺陷与层错相互作用将诱发马氏体相变，并消耗辐照缺陷。此外，高密度层错确保了马氏体相向周围不断拓展，在进一步消耗缺陷的同时，形成连续分布的马氏体相。辐照诱导的能够随着辐照剂量增加自适应地向周围拓展的马氏体相变并不会造成材料力学性能的恶化，研究进一步表明，自适应马氏体相变机制在从低剂量到极高剂量、从低温到高温的辐照下均保持有效。自适应马氏体相变的引入首次将有害的马氏体相变转变为辐照下的有益过程，且表面纳米化技术与工业主流加工设备高度匹配。此研究表明，表面纳米化技术在核工业中具有巨大的应用潜力，为开发用于当前和未来核设施的强抗辐照材料提供了一种全新路径。

图2 辐照下梯度纳米样品中的马氏体相变过程

近年来，高宁教授课题组在新材料及其辐照效应领域取得了一系列创新研究成果，分别发表在Nature Materials(2019)、Nature Communications(2021,2025A,2025B)、Advanced Materials(2023)、Acta Materialia(2025,2023A,2023B,2020)等顶级学术期刊。相关研究得到了国家磁约束核聚变能发展研究专项和国家自然科学基金面上项目等项目的资助和支持。

粒子与物质相互作用团队是山东大学粒子物理和粒子辐照教育部重点实验室的重要组成部分，以材料辐照效应基础研究为主要方向，面向国家对核能的重大需求，在材料辐照损伤实验与计算研究、辐照相关纳米功能材料制备及性质研究、核用材料筛选等方面开展深入工作，取得了丰硕的研究成果，承担及参与了多项国家和省部级科研项目，发表了多项重要研究成果，为我国核能材料的研发贡献山大力量。