AlCrTi-高熵合金薄膜的设计方法及其氢渗透机理研究

关注

联系合作

成果单位：北京师范大学

合作方式：自行实施

所处阶段：概念

关键词：氢能领域核能领域氢能装备核反应堆第一性原理Co-FCVAD系统高效制备调控关系

成果评价

总得分（满分100）

资本强度（满分0）

该成果得分：0

小果解读

核心问题

在氢能、核能等工业领域中，氢渗透问题一直是制约设备性能与安全性的关键因素。传统阻氢材料在面临高温、高压等极端环境时，往往难以同时满足高硬度与优异阻氢性的双重需求。特别是针对高熵合金（HEAs）薄膜，在阻氢性能上的提升空间有限，缺乏深入的理论支撑与高效的制备技术，导致其在氢能装备、核反应堆包壳等临氢环境中的应用受限。

解决方案

本项目通过以下技术创新解决了上述核心问题：

理论机制突破：利用第一性原理计算，深入揭示了AlCrTiNiV合金中晶格畸变对氢扩散路径的影响，以及强共价键如何有效抑制氢渗透的机理，为阻氢材料的设计提供了坚实的理论基础。
制备技术创新：自主研发了多通道磁过滤真空阴极弧共沉积系统（Co-FCVAD），实现了单批次44组成分/结构可调的高熵合金薄膜高效制备，为HEAs薄膜的通用设计提供了新方法。
性能显著提升：所制备的AlCrTiNiV涂层在-100V偏压下硬度高达17.59GPa，且仅需0.7μm厚度即可显著降低X70钢的氢渗透电流，实现了高硬度与优异阻氢性的完美结合。

竞争优势

本项目在理论机制、制备技术与性能提升上均取得了显著突破。通过第一性原理计算指导下的设计，确保了阻氢性能的精准提升；自主研发的制备系统提高了制备效率与成分调控的灵活性；所制备的涂层在硬度与阻氢性能上均达到了行业领先水平，为未来氢能装备、核反应堆包壳等临氢环境提供了极具潜力的新型涂层解决方案。尽管目前仍处于实验室探索阶段，但其原始创新性与技术潜力为未来的工业化应用奠定了坚实基础，展现出重要的应用前景与商业价值。

成果描述

成果公开日期

20250225

所属产业领域

制造业

转化现有基础

目前，该技术仍处于实验室探索阶段，需进一步优化工艺稳定性、规模化制备及复杂工况下的长效性能验证，距离工业应用尚有差距。

转化合作需求

该成果有望为氢能装备、核反应堆包壳等临氢环境提供新型涂层解决方案，具有重要应用前景，需要进一步的科研资金投入，以发展相关理论。

转化意向范围

可国（境）内外转让

转化预期效益

该成果有望为氢能装备、核反应堆包壳等临氢环境提供新型涂层解决方案，具有重要应用前景，亟需进一步探索。

项目名称

北京市自然科学基金外籍学者“汇智”项目

项目课题来源

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

摘要

本项目针对高熵合金（HEAs）在氢能、核能等领域的阻氢需求，围绕AlCrTiNiV高熵合金薄膜的设计与氢渗透机理展开研究，取得以下成果：1.理论机制突破：基于第一性原理计算，揭示了AlCrTiNiV合金中晶格畸变通过改变氢扩散路径、形成强共价键抑制氢渗透的核心机制，阐明了氢原子吸附、解离及扩散的能垒规律，为阻氢材料设计提供理论支撑。2.??制备技术创新：自主开发多通道磁过滤真空阴极弧共沉积系统（Co-FCVAD）及高通量制备平台，实现单批次44组成分/结构可调的HEAs薄膜高效制备，建立了工艺参数（如基体负偏压）与涂层非晶/纳米晶结构的调控关系，形成HEAs薄膜通用设计方法。3.??性能显著提升：制备的AlCrTiNiV涂层在-100V偏压下硬度达17.59GPa（非难溶HEAs体系最高值），且0.7μm厚度即可将X70钢氢渗透电流降低两个数量级（至0.6μA/cm??），兼具高硬度与优异阻氢性。目前，该技术仍处于实验室探索阶段，需进一步优化工艺稳定性、规模化制备及复杂工况下的长效性能验证，距离工业应用尚有差距。未来有望为氢能装备、核反应堆包壳等临氢环境提供新型涂层解决方案，具有重要应用前景。