中国科学院合肥物质科学研究院,美国麻省理工学院教授李巨访问合肥研究院固体所

5月16日,应固体所副所长刘长松研究员邀请,原橡树岭国家实验室材料部主任、现田纳西大学教授、世界著名的核材料专家Steven
John
Zinkle教授来到固体所进行访问交流,并参观了内耗与固体缺陷研究室核材料制备与表征平台。

11月10日,应中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所副所长刘长松邀请,美国麻省理工学院核科学与工程系及材料科学与工程系教授李巨,来固体所进行访问交流,并作了题为Nuclear
Materials: Connecting Nano to Macro
的精彩报告。

近期,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所内耗与固体缺陷研究室核材料研究团队与等离子体物理研究所罗广南及西南物理研究院刘翔合作,在面向等离子体高性能钨基合金研制方面取得新进展,相关科研成果发表在Scientific
Reports
(2015, 5, 16014)和Journal of Nuclear
Materials
(10.1016/j.jnucmat.2015.10.052)上。

交流会上,固体所内耗与固体缺陷研究室研究人员分别就目前在钨基合金、铁铬合金及纳米多层膜等核材料实验及计算模拟方面的研究进展做了详细介绍。Steven
J.
Zinkle教授仔细了解了上述核材料的设计思想、制备方法及取得的研究成果,并与研究人员在现场进行了深入地探讨。此次交流增进了Steven
J. Zinkle教授对固体所核材料的了解,为将来开展合作奠定了基础。

交流会上,李巨讲解了目前核能材料领域最新的科研进展和极具前瞻性的研究方法,尤其是如何利用原位电镜观察和分析材料在服役过程中的性能变化以及利用加速分子动力学等方法模拟长时间尺度下材料性能变化的微观机理。同时,刘长松详细介绍了固体所内耗与固体缺陷研究室核材料团队目前在钨基合金、铁铬合金及纳米多层膜等在实验及计算模拟方面的研究进展。此次交流增进了李巨对固体所的了解,为将来开展合作奠定了基础。

早在1946年,费米就指出“核技术的成败取决于材料在反应堆强辐射场下的行为”。人类在对裂变核能的长期应用及研究过程中,也证明了材料在反应堆中的重要性。在受控热核聚变发展过程中,需要解决的一个关键问题正是如何研发符合工程应用要求的面向等离子体第一壁材料,即直接与等离子体相互作用的材料。该材料要面临高温、高热负荷、强束流粒子与中子辐照等综合作用,其综合性能如抗辐照、抗热负荷、氢同位素滞留等性能优劣关系到第一壁部件能否安全稳态运行。各种材料中,金属钨以其高熔点、低溅射,氢滞留极低等特性被视为最有前途的候选材料。但纯钨具有明显的室温脆性、辐照脆化、热负荷开裂及辐照诱导氢滞留增加等缺陷,限制了其作为PFMs材料的实际应用。有研究表明,非金属杂质元素在钨中溶解度低,容易在晶界处偏聚形成纳米脆化层膜,导致晶界结合力降低,从而引起晶间脆断、并导致材料的韧脆转变温度升高。

Steven J.
Zinkle教授致力于先进核能应用中重要基础物理现象的材料学研究,长期从事核材料的辐照和改性研究,由于他在核能材料研究方面的杰出贡献,2006年获得美国能源部劳伦斯奖,现任橡树岭国家实验室核工程部主任,田纳西大学教授,美国白宫核能领域政府顾问,国际聚变反应堆材料大会国际顾问委员会主席。

李巨,美国麻省理工学院核科学与工程系及材料科学与工程系终身教授,教育部长江学者客座教授,西安交大前沿科学技术研究院微观理论与模拟中心主任,他是计算材料学领域的国际知名学者,致力于材料性质的多尺度计算研究,特别是在材料力学行为的原子模拟等方面获得了多项重要突破。曾获美国青年科技工作者最高奖“青年科学家工程师总统奖”,美国材料学会杰出青年科学家大奖,2014年入选汤森路透全球高被引科学家名单,美国物理学会会士和美国材料学会会士。发表论文260余篇,其中Nature、Science11篇,SCI引用23000余次,H因子77
(2017年11月数据)。

研究团队针对钨材料的低温脆性和强韧问题开展了系统的研究工作。根据计算模拟结果的建议,基于界面调控思想,科研人员采用微量纳米ZrC添加强化晶界/相界,提高钨基材料的综合性能,并在基于百克级到公斤级小试样工艺探索积累的基础上,相关研究结果发表在Journal
of Nuclear Materials
(2015, 464, 193), Journal of Alloys and
Compounds
(2016, 657, 73)和Int. J. Refractory Metals&Hard Mater.
(2015,51,180)上,对制备工艺进行了放大和优化,成功制备了具有室温塑性、抗弯强度为2.5GPa的大尺寸(10公斤级/块,8.5毫米厚)、高强度(700
MPa/500oC)、高塑性和低韧脆转变温度(DBTT~100
oC)的钨基W-Zr-C合金板材料。基底温度为室温时,块材耐4.4
MJ/m2的单次瞬态热冲击而不形成裂纹;基底温度为200oC时,耐1.0
MJ/m2的100次瞬态热冲击而不开裂。上述研究成果为钨基合金的进一步性能优化、工程化制备及其实际应用研究奠定了良好前期基础。

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