不同辐照粒子下钨及钨合金辐照损伤行为的研究进展

研究核聚变、准稳态等离子体下面向等离子体材料的辐照行为,发展适合于先进实验超导托卡马克(EAST)、国际热核聚变实验堆(ITER)和中国聚变工程实验堆(CFETR)长脉冲高参数运行乃至未来聚变反应堆稳态运行的高性能面向等离子体材料是当前核聚变研究一项艰巨而又紧迫的任务。钨因具有高熔点、高导热率、低溅射腐蚀速率、高自溅射阀值以及低蒸气压和低氚滞留等优异性能,被认为是聚变装置最具有前景的面向等离子体材料。综合评述了钨及钨合金在不同辐照粒子下损伤行为的最新研究进展。粒子辐照造成的微观缺陷在钨及钨合金内部累积,辐照造成缺陷的形成和数量与钨基材料颗粒微观结构、第二相成分等密切相关,辐照缺陷情况各异。同时,辐照粒子种类、能量、剂量和温度等辐照条件都会对钨材料辐照后的形貌特征和缺陷产生重要影响。     

面向等离子体SiC/C功能梯度材料的研究

用热压制备了SiC/C功能梯度材料（Functionally Graded Materials,FGM），评估了SiC/C FGM的微观组织和物理性能。其中SiC/C FGM的耐等离子体冲刷行为显示了它们在核聚变实验装置中作为面向等离子体材料的良好应用前景。     

钨用作核聚变装置面对等离子体材料可行性分析

通过与碳材料比较,分析钨作为核聚变面对等离子体材料的可行性。研究结果显示,钨是最有前景的面对等离子体材料,氢及其同位素滞留量小、热能和粒子反射率高、溅射率低、杂质聚集可控等,除此之外,钨具有熔点高、热力学性能优异等优点。     

磁约束核聚变托卡马克等离子体与壁相互作用研究进展

核聚变能是潜在的清洁安全能源,其最终的实现对中国能源问题的解决尤其重要。磁约束托卡马克是目前最有可能实现受控热核聚变的方法。磁约束聚变能的实现面临两大瓶颈问题:高参数稳态等离子体物理问题和托卡马克装置及未来反应堆关键材料问题。其中关键材料问题的解决在很大程度上取决于我们对等离子体与壁材料相互作用(Plasma-Wall Interactions,PWI)过程和机理的深入理解。PWI现象主要发生在托卡马克磁场最外封闭磁面以外的边界等离子体(又称为刮削层,Scrapped-Off Layer,SOL)和直接接触SOL的面对等离子体材料(Plasma-Facing Materials,PFM)区域内。因此,PWI问题直接决定了聚变的装置运行安全性、壁材料部件研发进程和未来壁的使用寿命。弄清PWI的各种物理过程和机理并施以有效的控制,是未来核聚变能实现的重要环节之一。对PWI国内外研究现状进行了详细的总结评述,并阐述了PWI的未来发展趋势和亟待解决的问题。     

聚变堆装置中面向等离子体材料钨涂层的研究进展

钨具有高的熔点、不与氚发生共沉积、与等离子体好的兼容性和低的腐蚀率等优点,是最有前景的一种面向等离子体材料.为了解决面向等离子体材料的制备及其与热沉材料连接问题,涂层技术在实验聚变堆装置中得到广泛应用.评述了目前实验聚变堆装置中面向等离子体材料钨涂层的研究进展.     

嬗变元素Re、Os对聚变装置面向等离子体钨材料性能的影响

钨(W)由于具有高熔点、高密度、低热膨胀系数、低氚滞留、低溅射产额等优异性能,被认为是最有潜力的聚变装置面向等离子体材料.氘氚聚变反应产生的14 MeV中子会导致W中嬗变元素铼(Re)、锇(Os)的产生,随着服役时间的延长,嬗变元素不断累积.这两种嬗变元素的产生势必会影响到W材料的微观组织结构,进而对W材料的性能产生影响.本文全面介绍了W嬗变元素Re、Os对聚变装置面向等离子体W材料的关键服役性能的影响,包括对力学性能、抗辐照性能、热学性能以及钨中氢同位素输运行为的影响.结果表明,W嬗变元素Re、Os能对W材料的性能造成较大的改变,但目前相关的研究都不够系统化,未来还需进行更为系统的研究来全面地对中子辐照条件下聚变装置面向等离子体W材料的性能进行评估.     

核石墨

核石墨是40年代初,应建造核裂变反应堆的需要而研究发展出来的石墨材料的一个分支,在生产堆、气冷堆和高温气冷堆中用作慢化、反射和结构材料。石墨也是核聚变反应堆面向等离子体材料的很有希望的候选材料。     

钨涂层面对等离子体材料出气性能的研究

钨由于高熔点、低溅射率等优点而被广泛的认为是最有希望的核聚变装置面对等离子体材料.然而考虑到等离子体约束和边界气体再循环,钨涂层面对等离子体材料在真空中的出气性能的研究是十分重要的.研究结果显示钨涂层主要出气种类为H2,H2O,O2,CO/N2和CO2.在300℃、经过4小时的烘烤,涂层出气率有明显的降低,特别是H2O和CO/N2;继续烘烤对涂层出气率改善效果不显著,因此真空等离子体喷涂钨涂层在用作面对等离子体材料时,仍需要烘烤、放电清洗等壁处理手段.     

用不同方法沉积在细晶粒石墨上的钨膜的性能

在磁约束核聚变中,面向等离子体的部件必需能承受高的热载荷(在转向器中高达1 0MW/m2),且在高能等离子体轰击下溅射量低.目前大多数实验装置都使用石墨或碳纤维增强复合材料制作这类部件.碳具有优良的热物理性能,能承受高的热载荷.在氢轰击下具有低辐射冷却势,且在核聚变的典型等离子体温度下完全电离,不产生射线.但对使用氚的反应器却遇到了困难:碳的腐蚀及随后沉积形成的非晶碳氢化合物层会导致反应器内残留氚过量.     

核聚变第一壁用W-ZrC材料研究进展与展望

核聚变能是利用氢同位素氘与氚进行聚变反应而释放出的巨大能量来发电。而材料问题尤其是面向等离子体材料(PFMs)一直是核聚变能发展面临的主要挑战之一。由于PFMs直接包围高温等离子体,不但要承受高热负荷(5~20 MW/m~2稳态热流,GW/m~2级瞬态热流),而且还经受高通量的高能中子辐照、等离子体燃料粒子等的轰击等。钨(W)具有高熔点、高溅射阈值/低溅射率和高热导率等优点,而被认为是最有希望的面向等离子体第一壁的材料,目前ITER及EAST已经选用纯W作为第一壁及偏滤器材料。而对于下一代聚变堆如中国聚变工程实验堆(CFTER),其设计参数更高,PFMs服役环境比ITER及EAST更加严峻。因此纯W由于一些自身的弱点如低温脆性(DBTT~400℃)、再结晶脆化以及辐照脆化、高热负荷开裂熔化、等离子刻蚀严重等不足将无法满足未来需求。因此研究材料的辐照损伤与氢氦效应机理,揭示辐照引起材料微观结构与性能的变化以探索开发新型抗辐照W基第一壁材料变得十分迫切。近年来,国内外研究人员针对上述问题开展了系统的研究工作,研发了不同种类的W基复合材料,如W-Y_2O_3、W-La_2O_3、W-TiC及W-ZrC等,性能及工艺均取得了一定的进展。其中基于计算模拟结果发展的W-ZrC材料具有较好的综合性能,是未来聚变装置第一壁候选材料之一。本文系统介绍了W-ZrC材料研究进展,包括:钨中辐照损伤/氢氦效应机理、界面耦合强化的计算模拟结果、微结构分析测试及服役性能评估的研究,通过全面的总结分析,提出W基第一壁材料今后的主要研究方向,以及研发高性能面向未来聚变堆第一壁材料应采取的策略及措施。     

核聚变堆包层结构材料研究进展及展望

随着人类对能源需求的增加,核聚变能的发展越来越受到人们的关注。材料问题是目前限制聚变能发展的一个重要因素。包层是实现能量转换、氚自持及辐照屏蔽的主要部件,满足包层结构材料苛刻环境要求的结构材料的开发及性能检测成为目前研究的热点。以低活化铁素体马氏体(RAFM)钢为代表的包层结构材料已发展多年,然而依据中国聚变能发展路线图,CFETR一期包层结构材料的中子辐照水平可达到约10dpa,在二期达到约50dpa,目前没有材料能满足包括抗辐照损伤在内的苛刻环境要求并能满足工程建设需求。低活化铁素体马氏体钢是目前包层结构材料的首选候选结构材料,国内外已开发了多个牌号的低活化品种并具备了丰富的材料基础数据库,然而低活化钢的工作温度区间严重受限,高温蠕变及抗辐照能力无法满足CFETR二期及未来聚变堆的要求。为解决传统RAFM钢的不足,提出了两条思路:一种是添加氧化物弥散相以有效提高高温蠕变强度,其中又以制备过程中是否涉及机械合金化可进行进一步的区分;另一种思路是基于热力学模拟计算,优化RAFM钢化学成分并进行多轮热机械处理以增加MX相密度。其中,机械合金化制作的氧化物弥散强化钢(ODS钢)的性能最佳,但受限于机械合金化法,成本高且效率低。非机械合金化ODS钢与优化的RAFM钢的性能接近机械合金化ODS钢,成本远远低于机械合金化ODS钢且制备效率高,大批量制备技术相对容易。除了铁基材料外,钒合金及碳化硅复合材料在多方面展现了优势,长期以来都是研究人员关注的热点。钒合金的热蠕变和氦脆导致温度上限低并且与氢同位素兼容性不好,碳化硅复合材料的规模化生产及连接技术仍存在困难,这些缺陷限制了钒合金与碳化硅复合材料的发展,使之在现阶段无法满足应用需求。面向更高辐照水平的示范堆及商用堆,目前已有的包层结构材料可能无法满足需求。根据目前很有限的研究数据,非晶材料及高熵合金的工程应用还非常遥远:一方面需要借助材料设计和制备的新理念、新方法不断挖掘现有材料的性能潜力,另一方面应重视具有潜在优势的复合块状非晶材料及低活化高熵合金等新型材料的研发。本文依据中国磁约束聚变材料路线图草稿,对RAFM钢、机械合金化制备的ODS钢,钒合金以及碳化硅复合材料的发展进行了综述,对最近几年兴起的改良RAFM钢、非机械合金化制备的ODS钢等新型候选结构材料进行了介绍,并对具有更佳性能的先进结构材料种类进行了展望。     

锂离子电池正极负极材料研究进展

近年来,锂离子电池因其优异的特性,发展十分迅速。锂离子电池的优异性能与电池的材料选择,材料的制备工艺等密切相关,可以说,锂离子电池的性能,很大程度上取决于电池的正负极材料以及电解质和隔膜材料的选择和制备。基于这种的重要性,本文对目送２锂离子电池的正极和负极材料的研究进展进行了综合评述。     

Research Progress in MnO2–Carbon Based Supercapacitor Electrode Materials

With the serious impact of fossil fuels on the environment and the rapid development of the global economy, the development of clean and usable energy storage devices has become one of the most important themes of sustainable development in the world today. Supercapacitors are a new type of green energy storage device, with high power density, long cycle life, wide temperature range, and both economic and environmental advantages. In many industries, they have enormous application prospects. Electrode materials are an important factor affecting the performance of supercapacitors. MnO₂‐based materials are widely investigated for supercapacitors because of their high theoretical capacitance, good chemical stability, low cost, and environmental friendliness. To achieve high specific capacitance and high rate capability, the current best solution is to use MnO₂ and carbon composite materials. Herein, MnO₂–carbon composite as supercapacitor electrode materials is reviewed including the synthesis method and research status in recent years. Finally, the challenges and future development directions of an MnO₂–carbon based supercapacitor are summarized.     

颗粒相变储能材料的研究进展

颗粒相变储能是最有效的潜热储能方式之一,同时这种储能材料也是一种新型的定型复合相变材料。分析总结了适合人体舒适温度的石蜡、脂肪酸及其二元共晶物,着重讨论了真空吸附使有机相变材料与颗粒状无机多孔材料相结合的方法。最后提出了这种复合相变材料有待解决的问题。     

Nanostructured electronic and magnetic materials

Research and development in nanostructured materials is one of the most intensely studied areas in science. As a result of concerted R & D efforts, nanostructured electronic and magnetic materials have achieved commercial success. Specific examples of novel industrially important nanostructured electronic and magnetic materials are provided. Advantages of nanocrystalline magnetic materials in the context of both materials and devices are discussed. Several high technology examples of the use of nanostructured magnetic materials are presented. Methods of processing nanostructured materials are described and the examples of sol gel, rapid solidification and powder injection moulding as potential processing methods for making nanostructured materials are outlined. Some opportunities and challenges are discussed.     

等离子喷涂碳化硼/钼涂层氚的滞留性能研究

为了保证核能源的使用安全, 对氚在第一壁材料表面的滞留数量以及深度进行定量表征非常重要。在本研究中, 制备了一系列潜在的第一壁材料B₄C/Mo 涂层, 并采用成像板(IP)和β射线激发X射线(BIXS)法对其表面的氚滞留情况进行了测定。IP 图像表明, 涂层表面吸附的氚含量遵循以下顺序: B₄C>BM15>BM5>Mo。而BIXS结果进一步表明, 对于B₄C涂层, 大部分氚扩散到了涂层内部; 而对于其他三种涂层, 氚仅在其表面发生吸附。扫描电镜(SEM)结果显示, B₄C涂层气孔率最高, 而其他三种涂层尽管气孔率较低, 但其截面仍能观察到大量气孔和微裂纹的存在。涂层中的这些缺陷为氚的吸收和扩散提供了通道, 而气孔与微裂纹的尺寸最终决定了氚在涂层表面的吸附数量。实验结果还表明, 涂层杂质成分Ti的存在也对氚的滞留产生了一定影响。     

Plasma‐Assisted Synthesis and Surface Modification of Electrode Materials for Renewable Energy

Renewable energy technology has been considered as a “MUST” option to lower the use of fossil fuels for industry and daily life. Designing critical and sophisticated materials is of great importance in order to realize high‐performance energy technology. Typically, efficient synthesis and soft surface modification of nanomaterials are important for energy technology. Therefore, there are increasing demands on the rational design of efficient electrocatalysts or electrode materials, which are the key for scalable and practical electrochemical energy devices. Nevertheless, the development of versatile and cheap strategies is one of the main challenges to achieve the aforementioned goals. Accordingly, plasma technology has recently appeared as an extremely promising alternative for the synthesis and surface modification of nanomaterials for electrochemical devices. Here, the recent progress on the development of nonthermal plasma technology is highlighted for the synthesis and surface modification of advanced electrode materials for renewable energy technology including electrocatalysts for fuel cells, water splitting, metal–air batteries, and electrode materials for batteries and supercapacitors, etc.     

Coatings for fusion reactor environments

The internal surfaces of a toroidal magnetically confined fusion reactor control the impurity injection and gas recycling into the fusion plasma. Coating of internal surfaces may provide a desirable and possibly necessary design flexibility for achieving the temperatures, ion densities and containment times necessary for net energy production from fusion reactions. In this paper the reactor environments experienced by various components are reviewed along with possible materials responses. Characteristics of coating-substrate systems that are important to fusion applications are delineated and the present status of coating development for fusion applications is reviewed. Coating development for fusion applications is just beginning and poses a unique and important challenge for materials development.     

LED封装材料的研究进展

发光二极管是一类可直接将电能转化为可见光和热等辐射能的发光器件。随着亮度和功率的不断提高,封装材料成为制约LED进入照明领域的关键技术之一。针对LED对封装材料的性能要求,综述了LED封装材料种类、特点及发展现状,并重点介绍了环氧和有机硅材料的应用研究进展。