近期《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）刊發(fā)武漢大學(xué)的肖湘衡教授和美國愛荷華州立大學(xué)的王信偉教授結(jié)合單層石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和鎢具有較低的輻照腫脹特點，設(shè)計了鎢和石墨烯的多層薄膜結(jié)構(gòu)的試驗成果。該論文題為“Significant Radiation Tolerance and Moderate Reduction in Thermal Transport of a Tungsten Nanofilm by Inserting Monolayer Graphene”。

    核聚變能被認(rèn)為是未來實現(xiàn)生產(chǎn)綠色清潔低碳能源的最有前景的選擇之一。對聚變堆中的輻照環(huán)境而言，結(jié)構(gòu)材料如第一壁/包層材料的輻照損傷主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面是高能中子輻射；另一方面是由核演變過程中產(chǎn)生的大量高能量的氦離子會快速形成大量的氦氣氣泡，這些氦氣氣泡會促進(jìn)材料的脆化和膨脹，甚至破裂。另外在核反應(yīng)過程中，如果熱量不能持續(xù)地從反應(yīng)核中轉(zhuǎn)移，染料包殼將受到重大的破壞并引起不可估量的后果。

    含有大量界面和晶界的雙金屬納米多層膜材料，可以大幅度減少輻照引起的損傷被廣泛研究和認(rèn)可，但是這種多層膜的設(shè)計使材料的熱學(xué)性能出現(xiàn)了斷崖式的下降，因此，面對高溫、高輻照的核反應(yīng)環(huán)境，研發(fā)一種兼顧良好導(dǎo)熱性能和抗輻照性能的新型材料成為當(dāng)務(wù)之急，也是當(dāng)前研究的一大熱點問題。

    為了解決這些問題，研究人員設(shè)計了一種鎢和石墨烯的多層復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)。這種鎢-石墨烯納米復(fù)合材料結(jié)合了單層石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和鎢具有較低的輻照膨脹特點，可有效轉(zhuǎn)移核熱從而有效減緩輻射損傷。

    圖1：鎢-石墨烯多層復(fù)合材料的制備以及氦離子的注射過程

    圖1為鎢-石墨烯多層復(fù)合材料的制備以及氦離子的注射過程圖，左下側(cè)的為50keV He+離子輻照周期厚度為15nm的W15/G納米膜的TEM圖

    圖2：熱阻力實驗測試裝置

    （a） 熱阻力測試實驗裝置的示意圖。

    （b） 一維多層熱傳遞試樣模型示意圖。

    圖3：抗輻照性能研究

    （a） 同一實驗條件下，模擬He+離子輻照W15/W膜后He（左）離子濃度或DPA（右）的變化。

    （b）-（e） TEM圖：離子注入前W15/G （b），輻照后的W15/G （c），離子注入前W15/W （d）， 輻照后的W15/W （e）。圖（c）和（e）均選自圖（a）中的矩形區(qū)域。

    圖4：不同厚度的復(fù)合膜形貌研究

    （a）-（c） He+離子注入前的截面TEM圖：W15/G （a），W30/G （b），W40/G （c）。

    （d）-（f） He+離子高濃度分布區(qū)的截面TEM圖：W15/G （d），W30/G （e），W40/G （f）。

    （g）-（i） 高濃度分布區(qū)的截面高倍率TEM圖：W15/G （d），W30/G （e），W40/G （f），黑色虛線代表的是He+離子在膜表面下方的位置。

    圖5：W膜的抗輻照性能研究

    （a） 同一實驗條件下，模擬He+離子輻照周期厚度為15nm的多層膜后He（左）離子濃度或DPA（右）的變化。

    （b）-（c） TEM圖：離子注入前的W膜（b），50keV He+離子輻照后的純W膜（c），黑色虛線代表的是He+離子在膜表面下方的位置。

    （d）-（g） 不同區(qū)域的高倍率TEM圖，對應(yīng)圖（a）中標(biāo)記的部分。

    綜上所述，研究人員結(jié)合單層石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)熱性能和鎢具有較低的輻照腫脹特點，設(shè)計了鎢和石墨烯的多層薄膜結(jié)構(gòu)。鎢和石墨烯的多層薄膜的周期厚度可達(dá)到15-40nm。通過光熱測量技術(shù)測得金屬鎢與單層石墨烯之間的界面接觸熱阻在1.8×10-8 K m2 W-1數(shù)量級，表明在石墨烯的嵌入下，多層鎢的熱學(xué)性質(zhì)沒有較大的降低，其層間匹配程度很好，不會阻礙熱量的傳導(dǎo)。

    更重要的是，該結(jié)構(gòu)具有明顯的抗輻照性能。通過引入單層石墨烯，不僅可以使鎢納米薄膜順利導(dǎo)出熱量，而且這種結(jié)構(gòu)也可以有效地減少由于核輻照引起的巨大損傷。因此，這種新型抗輻照材料，為核反應(yīng)堆內(nèi)結(jié)構(gòu)材料的選取、改良和升級提供了一種重要的方法和思路。相關(guān)論文全文發(fā)表在 Adv. Mater., 2016,（DOI: 10.1002/adma.201604623）上。

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