中国在核聚变关键材料取得突破性进展

近日，中科院合肥研究院与西交大合作在高性能钨材料研究方面取得了突破性进展，通过多尺度微结构调控克服了钨的室温脆性，在纯钨块材中实现了室温塑性和高强度。这意味着未来面向等离子体材料（PFM）的服役时间将更长和使用性能将更高。相关成果发表在材料学顶级期刊Acta Materialia上。

论文链接

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1359645422001525

钨有什么用处？

钨tungsten，元素符号为W, 在元素周期表中原子序数74，是VIB族金属。密度为19.35克/立方厘米，与黄金接近。钨在自然界所有的金属元素中，熔点是最高的，为3422 ，钨丝作为电灯丝即利用了这一特性。钨的用途非常广泛，如刀具模具等制造业及导弹，动能武器等军事领域，是一种重要的战略材料，中国是世界上最大的钨储藏国。

天基武器又是什么鬼？

美军上世纪80年代提出的“上帝之杖”天基动能武器构想，类似功夫里从天而降的如来神掌。

构想就是由位于低轨道的卫星发射直径0.3米、长6.1米、重量达数吨的钨金属棒对地攻击，在火箭助推下先以11公里每秒的速度进入大气层，大气层的摩擦下速度仍旧能保持3111米每秒的飞行速度，最终速度超过了9马赫。利用其巨大的动能摧毁目标，威力可堪比核武器，但实际上这些目前还停留在概念上。

回到正题，可控核聚变面临什么难点？

核聚变反应装置中直接面对等离子体的第一壁、偏滤器及限制器的装甲材料，需要耐高能中子辐照、以及抵抗高通量氘(D)氚(T)等离子体轰击，保护非正常停堆时其他部件免受等离子体轰击而损坏。所以，它的性能对核聚变反应装置的发展来说尤其的重要，除了要具有较好的耐高温性能和耐冲击性能之外，还应具备低温韧性、高强度和抗辐射能力等特点。

钨因具有高熔点，低蒸气压，良好的导热性、高温强度、结构稳定性和化学稳定性等优点，而成为最佳的候选材料。然而，纯钨存在低温脆性、高温再结晶脆性和辐照脆性等缺点，也在很大程度上制约了核聚变反应堆的发展。

网图，侵删

以往的研究表明，虽然可以通过弥散强化、轧制、拉拔等制备工艺提高钨材料的低温韧性和强度，但是要在块体纯钨中同时实现室温强韧化仍是一个巨大挑战，这主要是由于经过高温烧结和后续形变热处理，钨晶粒易长大。

为了解决上述的问题，研究者提出了一种新的技术路线，成功制备出兼具室温拉伸塑性和高强度的纯钨块材。首先，通过对活化的W粉进行两步低温烧结，得到的钨毛坯平均晶粒尺寸为8.9 um；再通过锻造热加工动态回复，最终实现了独特的多尺度微结构：层状结构母晶，母晶中含超细亚晶，亚晶中含高比例可动位错。与传统的块体钨材料相比，锻造钨块材在室温下的拉伸塑性和抗拉强度更优秀。

技术路线示意图及实物样品

研究表明，层状母晶、超细亚晶与高比例的刃型和复合位错协同作用是纯钨实现室温塑性和高强度的内在机制。层状结构母晶可以使裂纹尖端钝化从而实现增韧效果；母晶中高比例的亚晶界相比大角晶界更有利于位错穿过，从而缓释晶间应力，防止沿晶开裂。更为重要的是，超细亚晶中预制的位错包含58%刃位错和复合位错，而体心立方金属中刃位错和复合位错相比于单纯的螺位错在低温下具有更好的可动性。这些高移动性的位错不仅起到强化作用，还能够在低温下钝化裂纹尖端。