钼合金，一种具有高强韧性并且耐高温的合金，用途正在越来越广泛。近日大陆中科院合肥研究院官网发文称，该院固体所内耗与固体缺陷研究部和中国核动力研究设计院合作在高性能钼合金研究方面取得新进展，研发的新型钼合金可用于制造太空核反应堆。
高纯度钼金属
钼（Mo）这种元素质子数为42，钼单质为银白色金属，硬而坚韧，化学性质稳定，纯金属及合金具有高熔点、高热导率，高导电性，易与碱金属相容等优点，早就被航天技术方面的材料学家认为是空间核反应堆的关键候选材料。不过纯钼也存在着室温可塑性低、高温强度不足、再结晶脆性大和辐照脆化等问题，因此将钼与其他金属制成钼合金解决掉上述问题，成了材料学上的一个攻关目标。
钼棒
研究者们把攻关重点放在了改善钼合金的力学和抗辐照性能上，开始时在钼金属中引入细小的氧化物颗粒，这虽然能显著提高钼合金强度和再结晶温度，然而氧化物颗粒却会在高温下长大，导致了钼合金的应力集中和塑性降低，特别是在高温时的强度显著降低。
所以研究者们又改变思路，通过计算模拟发现钼合金晶/相界面上间隙氧的偏聚会显著降低其强度和延展性，而间隙碳原子和碳化锆颗粒能有效提高界面的强度，所以提出来通过纳米碳化物弥散、细晶强化和晶界净化等方法来协同提升钼合金综合性能的方案。即采用纳米碳化锆颗粒作为增强相，利用它能吸收杂质氧，降低其对晶界的脆化作用，改善晶界结合及低温韧性，达到从晶粒的层面提高材料的强度和高温稳定性，这样配比的合金其纳米颗粒与基体之间形成的界面还能吸收辐照缺陷，进而也就改善了钼合金材料的抗辐照性能。
通过不断地试验，研究者们利用粉末冶金法和高温旋锻制备了室温及高温下均具有优异力学性能的纳米结构碳化锆钼合金，这种合金的室温抗拉强度可达928MPa、延伸率为34.4%，比工业中广泛应用的钛锆钼合金分别提高26%和100%以上。
这种合金的再结晶温度比纯钼提高了约400°C，具有优异的高温稳定性。而在高温1000℃时，碳化锆钼合金的抗拉强度可达562MPa，比纯钼、纳米结构氧化镧-钼合金、氧化镧-钛锆钼合金合金等提高50%以上；在1200℃高温下则-强度更为优异，同时还能保持优良塑性。都说明这种合金在室温及高温下均具有优异的强韧性，与已报道的同类材料相比具有明显优势。相关研究成果已经于本月中旬发表在金属材料顶级期刊《材料学报》上。
那么为什么说这种材料是空间核反应堆的良好用材呢？是因为空间核反应堆的包壳及堆芯结构材料面临高温、中子辐照及液态碱金属腐蚀等苛刻服役环境，一般的材料都难以胜任，碳化锆钼合金被认为将可以解决这个问题。
空间核反应堆概念结构图
随着航天技术的进步，人类必将进入开发和利用太空的时代，虽然目前太空中的卫星大多利用太阳能帆板电池，但当人类建造月球或火星科研站或基地的时候，亦或打造星际探测器或星际飞船时，势必要利用到空间核反应堆，所以这种装备属于一种前瞻性研究，也早有消息称大陆正在研制空间核反应堆，比如大陆和俄罗斯合作建造并运营的月球科研站将在2028年前后完成，按计划该设施就需要一台空间核反应堆，所以碳化锆钼合金材料或首先用到月球科研站上，这一发明对大陆空间核反应堆的制造具有重要的推动意义。
NASA研制的太空核反应堆样品图
参考资料：
《观察者网》2月25日文章《中科院成功研制高强韧钼合金，可用于外太空核反应堆》
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