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美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (PNNL)、弗吉尼亞理工學(xué)院和州立大學(xué)(弗吉尼亞理工大學(xué))的科學(xué)家們正在研究鎢重合金作為用于先進(jìn)核聚變反應(yīng)堆的可能材料。在聚變能被用作能源之前，有必要開(kāi)發(fā)能夠承受聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高溫和輻照條件的先進(jìn)核聚變反應(yīng)堆。

鎢是所有元素中熔點(diǎn)最高的元素之一，但它也可能非常脆。將鎢與少量其他金屬(如鎳和鐵)混合，可以產(chǎn)生一種比單獨(dú)使用鎢更堅(jiān)韌的合金，同時(shí)保持其高熔化溫度。此外，這些鎢重合金的熱機(jī)械處理可以改變抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性等性能。

研究人員發(fā)現(xiàn)，一種特殊的熱軋技術(shù)在鎢重合金中產(chǎn)生了微觀結(jié)構(gòu)，模仿了貝殼中珍珠母的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)非常堅(jiān)固。PNNL 和弗吉尼亞理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)研究了這些仿珍珠層的鎢合金，用于潛在的核聚變應(yīng)用。

最近發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》上的該研究論文的第一作者 Jacob Haag 說(shuō)：“這是第一項(xiàng)在如此小的尺度上觀察這些材料界面的研究，通過(guò)這樣做，我們揭示了一些控制材料韌性和耐用性的基本機(jī)制?！?他補(bǔ)充說(shuō)：“我們想了解為什么這些材料在金屬和合金領(lǐng)域表現(xiàn)出近乎前所未有的機(jī)械性能?！?/p>

為了更仔細(xì)地觀察合金的微觀結(jié)構(gòu)，Haag 和他的團(tuán)隊(duì)使用了先進(jìn)的材料表征技術(shù)，例如掃描透射電子顯微鏡來(lái)觀察原子結(jié)構(gòu)。他們還結(jié)合使用能量色散 X 射線光譜和原子探針斷層掃描繪制了材料界面的納米級(jí)組成。

他們發(fā)現(xiàn)，在珍珠質(zhì)結(jié)構(gòu)中，鎢重合金由兩個(gè)不同的相組成：幾乎純鎢的“硬”相和包含鎳、鐵和鎢混合物的“韌性”相。研究表明，鎢合金的高強(qiáng)度來(lái)自不同相之間的出色結(jié)合，包括緊密結(jié)合的“硬”相和“韌性”相。

PNNL 計(jì)算科學(xué)家兼該論文的合著者 Wahyu Setyawan 說(shuō)：“雖然這兩個(gè)不同的相形成了堅(jiān)硬的復(fù)合材料，但它們?cè)谥苽溆糜诒碚鞯母哔|(zhì)量標(biāo)本方面構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。我們的團(tuán)隊(duì)成員在這方面做得非常出色，這使我們能夠揭示相間邊界的詳細(xì)結(jié)構(gòu)以及跨越這些邊界的化學(xué)級(jí)配?！?/p>

Haag 說(shuō)：“如果要將這些雙相合金用于核反應(yīng)堆內(nèi)部，則有必要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化以提高安全性和使用壽。” 這些發(fā)現(xiàn)已經(jīng)在 PNNL 和科學(xué)研究界得到進(jìn)一步擴(kuò)展。PNNL 正在進(jìn)行多尺度材料建模研究，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)、化學(xué)和測(cè)試不同材料界面的強(qiáng)度，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究以觀察這些材料在聚變反應(yīng)堆的極端溫度和輻照條件下的行為。

“這是一個(gè)激動(dòng)人心的聚變能源時(shí)代，白宮和私營(yíng)部門(mén)重新對(duì)它產(chǎn)生了興趣。我們?cè)趯ふ议L(zhǎng)期運(yùn)行的材料解決方案方面所做的研究對(duì)于加速聚變反應(yīng)堆的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要?！?Setyawan 說(shuō)。