纳米金属材料凭借其独特的微观结构，为先进核能系统提供了革命性的解决方案。其内部海量的晶界如同一个高效的“智能防御系统”，能显著增强材料的抗辐照损伤能力，抑制肿胀与氦脆，同时赋予其更高的强度。这些核心优势使其成为开发更安全、更耐用、性能更卓越的未来核反应堆（尤其是聚变堆和第四代裂变堆）关键部件（如包壳和结构材料）的极具潜力的候选者。然而，当材料的晶粒尺寸减小至20纳米以下时，经典的晶粒细化强化机制不再适用，出现所谓的“反霍尔-佩奇效应”，导致材料强度不增反降，并伴随着塑性急剧恶化，致使强度与塑性之间呈现严重倒置关系。这一长期存在的科学难题与技术瓶颈，严重制约了纳米金属材料的工程应用。
在此背景下，上海大学核电关键材料全国重点实验室固定成员卞西磊副研究员指导2024级博士研究生俞潇龙，在纳米尺度（晶粒尺寸小于20纳米）核电用关键金属材料强韧化领域取得重要研究进展。相关成果以“Oxygen nanoclustering evades inverse Hall-Petch softening”为题，在线发表于国际顶级学术期刊《自然·通讯》（Nature Communications 16, 10602 (2025)）（影响因子：15.7）。同行评议中，两位审稿人分别给予高度评价：“a piece of quite comprehensive work”（一个非常全面的工作）；“presents an interesting and intriguing finding”（呈现了一个有趣且引人入胜的发现）。该研究工作由上海大学联合西安交通大学、奥地利科学院Erich Schmid材料研究所、香港城市大学及北京科技大学等多家单位合作完成。上海大学为论文第一完成单位和通讯单位。上海大学材料科学与工程学院2024级博士生俞潇龙论文为第一作者，上海大学卞西磊副研究员、王刚教授、王庆研究员和西安交通大学刘畅教授为共同通讯作者。
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研究团队独辟蹊径，选择CoCrNi中熵合金为基体，采用磁控溅射技术引入大量间隙氧原子，成功制备出平均晶粒尺寸仅为3纳米的(CoCrNi)87O13模型合金。研究发现，氧原子在合金中并非均匀分布或形成脆性氧化物，而是自发形成了纳米尺度的富（Cr, O）团簇。这些富氧团簇通过“晶内-晶界”联动机制，同步提升强度与韧性：一方面，晶内团簇通过钉扎位错并促进其增殖，实现强化；另一方面，氧原子在变形中被拖曳至晶界富集，通过增强键合并降低晶界能来稳定界面，从而抑制了晶粒粗化、晶界滑移及剪切带的形成，实现韧化（图1）。
图1. “氧纳米团簇”设计策略示意图及微观结构表征
得益于这一独特的“氧纳米团簇”结构，该3纳米晶粒尺寸的合金同时实现了约3.6 GPa的超高屈服强度和超过50%的均匀压缩塑性，成功规避了“反霍尔-佩奇软化”，其综合性能显著优于目前已报道的各类面心立方纳米金属材料，突破了当前金属材料的强塑性极限（图2）。更重要的是，该策略在FeCrNi-O和HfNbTiZr-O等多种合金体系中均展现出良好的普适性，证实了“氧纳米团簇”可作为一种通用的纳米材料强韧化设计新范式。
图2. CoCrNi-O合金力学性能
该研究成果不仅为设计兼具超高强度和大塑性的纳米结构材料提供了全新的、通用的设计策略，而且颠覆了“大量氧元素导致金属脆化”的传统认知，在极端工况下要求抗辐照、高强韧性的核反应堆关键材料等领域具有广阔的应用前景。
本工作是上海大学核电关键材料全国重点实验室无序合金团队在纳米结构材料设计研究领域的系列突破之一，得到了国家自然科学基金（52171159）、上海市自然科学基金（22ZR1422500）、上海市科技创新行动计划（No. 24CL2901500）、上海市探索者计划（No. 25TS1401900）、中国载人航天工程空间应用系统（KJZ-YY-NCL08）等项目的大力支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-66181-1
