中科院合肥研究院聚變堆阻氖涂層輻照損傷研究獲進(jìn)展等（共5條）

中科院合肥研究院聚變堆阻氚涂層輻照損傷研究獲進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所聚變堆材料及部件研究室副研究員周海山課題組，在輻照缺陷對(duì)α-氧化鋁阻氚涂層阻氚性能影響機(jī)理研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Influence of irradiation-induced point defects on the dissolution and diffusion properties of hydrogen in α-Al2O3: a firstprinciples study為題，發(fā)表在Nuclear Fusion上。

未來聚變堆中，為了降低燃料損失、實(shí)現(xiàn)氚的自持，氚增殖包層結(jié)構(gòu)材料及其輔助系統(tǒng)必須具有盡可能低的氚滲透率。除了可靠的包層和涉氚系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，在涉氚部件的內(nèi)外表面涂覆阻氚涂層是降低氚滲透率的有效措施。然而，在聚變堆內(nèi)，阻氚涂層受到高能中子輻照會(huì)產(chǎn)生大量輻照缺陷，可能影響材料的阻氚性能。

α-氧化鋁被認(rèn)為是聚變堆阻氚涂層的理想候選材料，課題組采用基于密度泛函的第一性原理計(jì)算方法，模擬氫在含有不同輻照點(diǎn)缺陷的α-氧化鋁內(nèi)部的溶解擴(kuò)散行為，研究氫與輻照點(diǎn)缺陷的相互作用，探索氫的存在形式，揭示輻照點(diǎn)缺陷對(duì)其阻氚性能的影響機(jī)理。

氫-缺陷團(tuán)簇的形成能隨費(fèi)米能級(jí)的變化曲線

研究發(fā)現(xiàn)，氫在α-氧化鋁內(nèi)部易被空位型點(diǎn)缺陷特別是鋁空位捕獲，從而以氫-空位團(tuán)簇的形式存在，而氫-空位團(tuán)簇在α-氧化鋁內(nèi)部很難擴(kuò)散，因而孤立的空位型點(diǎn)缺陷可以在一定程度上提升α-氧化鋁的阻氚性能。氧間隙原子也可以和氫結(jié)合形成OiH-，并以O(shè)iH-的形式進(jìn)行擴(kuò)散。由于OiH-的擴(kuò)散能壘非常小，以致其在室溫下就可以快速遷移。因此，氧間隙原子會(huì)削弱其阻氚性能。此外，研究還表明，在無輻照的情況下，氫在水環(huán)境下更容易滲透進(jìn)入α-氧化鋁，而在輻照條件下，氫在氫氣環(huán)境下更容易滲透進(jìn)入α-氧化鋁。

該研究對(duì)于聚變堆阻氚涂層的設(shè)計(jì)、制備和服役評(píng)估具有重要參考價(jià)值。

（中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院）

上海高研院等實(shí)現(xiàn)納米材料界面的原位精準(zhǔn)原子級(jí)調(diào)控

表界面結(jié)構(gòu)是決定納米材料性能的關(guān)鍵因素，以負(fù)載型催化材料為例，金屬顆粒與氧化物載體之間形成的界面在一些重要反應(yīng)中起關(guān)鍵性作用，但如何調(diào)控這一活性界面，具有挑戰(zhàn)性。金屬顆粒在負(fù)載過程中與基底形成的界面具有隨機(jī)性，目前，負(fù)載完成以后亦缺乏有效手段對(duì)界面進(jìn)行“精修”，這使得精確調(diào)控顆粒與氧化物間的活性催化界面成了一個(gè)“不可能的任務(wù)”。

浙江大學(xué)、中國科學(xué)院上海高等研究院、丹麥科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過長期合作，利用環(huán)境透射電子顯微鏡的原位表征和第一性原理計(jì)算，對(duì)原子尺度下一氧化碳催化氧化過程中觀察到的催化劑界面活性位點(diǎn)的可逆變化進(jìn)行解析，理解了活性界面與反應(yīng)環(huán)境之間的動(dòng)態(tài)原位相關(guān)關(guān)系，提出并首次實(shí)現(xiàn)了界面活性位點(diǎn)的原子級(jí)別精準(zhǔn)原位調(diào)控。相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學(xué)》上，該研究對(duì)如何從機(jī)制出發(fā)，自下而上的實(shí)現(xiàn)材料、器件結(jié)構(gòu)和功能的精準(zhǔn)調(diào)控和設(shè)計(jì)具有重要意義。

負(fù)載在二氧化鈦表面的金顆粒是將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳的重要催化劑，也是工業(yè)催化研究中的常見組合。浙江大學(xué)依托原位環(huán)境電鏡開展催化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，通過原子層面的原位表征，首次發(fā)現(xiàn)兩種現(xiàn)象：看到催化反應(yīng)時(shí)金顆粒發(fā)生面內(nèi)（外延）轉(zhuǎn)動(dòng)（約9.5°），首次通過可視化實(shí)驗(yàn)直觀證明了活性位點(diǎn)位于界面；發(fā)現(xiàn)停止通入一氧化碳催化時(shí)，金顆粒轉(zhuǎn)回到原來的位置。為了完全確認(rèn)轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)從側(cè)視與俯視兩個(gè)角度，進(jìn)行了精細(xì)審慎的表征。之所以如此慎重，是因?yàn)榇舜慰吹降拇呋瘎┬D(zhuǎn)現(xiàn)象，通常被認(rèn)為是不可能發(fā)生的現(xiàn)象：因?yàn)榻痤w粒和二氧化鈦結(jié)合在一起時(shí)，形成了新的化學(xué)鍵，“焊接”牢固（有外延關(guān)系），即便是被高能量的電子束轟擊，也巋然不動(dòng)。

是什么讓“不可能”成了“可能”？實(shí)驗(yàn)觀察到的現(xiàn)象背后的機(jī)制是什么？這是否可以被利用來實(shí)現(xiàn)催化劑界面精確調(diào)控的夢想？上海高研院理論團(tuán)隊(duì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，猜測誘導(dǎo)顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)的“元兇”是界面吸附的氧，并就此推測，進(jìn)行了系列的第一性原理及納米尺度熱力學(xué)計(jì)算。結(jié)果顯示，界面缺氧狀態(tài)下的顆粒在與二氧化鈦載體緊密結(jié)合的同時(shí)喪失了一定的吸氧能力，轉(zhuǎn)動(dòng)了一個(gè)小的角度之后的顆粒界面則能夠提供多且好的吸附氧活性位點(diǎn)。為了能夠更好地與吸附氧結(jié)合，適應(yīng)高氧環(huán)境，顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)由此發(fā)生。然而，在界面氧被活化與一氧化碳反應(yīng)之后，顆粒又回到了原有位置，以便與載體緊密結(jié)合。

基于上述理論認(rèn)識(shí)，研究人員進(jìn)一步提出通過改變反應(yīng)環(huán)境（更換氣體環(huán)境與控制溫度）以精確調(diào)控界面的設(shè)計(jì)思路，并最終在原位電鏡實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)。

上海高研院博士朱倍恩指出：“固體晶體通常被認(rèn)為是一種穩(wěn)固的材料，對(duì)固體晶體材料的調(diào)控必須從其生長過程著手，一旦材料成型再進(jìn)行調(diào)控，這是不容易的。就像樂高玩具，如果我們想要重塑其結(jié)構(gòu)，必須進(jìn)行拆解才能夠再構(gòu)。但近年來的原位研究顯示，納米固體晶體材料沒有大家想的那么“硬”，而是更像橡皮泥一樣具有較強(qiáng)的原位可塑性。”這些原位實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象昭示了一種革命性的原位“智造”納米材料的可能性，但這一切的前提是研究人員能夠合理預(yù)測其變化。

近年來，上海高研院研究員高嶷團(tuán)隊(duì)致力于原位理論新模型“從0到1”的建設(shè)，通過發(fā)展一系列理論模型，論證了納米材料從平衡結(jié)構(gòu)到非平衡結(jié)構(gòu)演化過程的可預(yù)測性（Phys. Rev. Lett. 2014, 112,206101；Nano Lett. 2016, 16,2628；Nature Commun. 2016, 7,13574；Phys. Rev. Lett. 2019,122, 096101；Phys. Rev. Lett.2020, 124, 066101）；在實(shí)驗(yàn)合作中，展現(xiàn)了理論模擬對(duì)原位實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象從理解到設(shè)計(jì)所起到的重要作用（Angew. Chem. Int. Ed. 2018,57, 6464；Angew. Chem. Int. Ed.2018, 57, 16827；Proc. Natl. Acad.Soc. 2018, 115, E3888；Nano Lett.2019, 19, 4205；Nature Catal.2020, 3, 411；Nature Commun.2020, 11, 3349），并分別于2018年和2020年在《化學(xué)研究報(bào)告》和《德國應(yīng)用化學(xué)》發(fā)表綜述，總結(jié)了該團(tuán)隊(duì)的理論模型及在實(shí)驗(yàn)中的廣泛應(yīng)用（Acc. Chem.Res. 2018, 51, 2739；Angew.Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2171）。在2020年初的《科學(xué)》上，研究人員合作利用原位環(huán)境電鏡和基于第一性原理的熱力學(xué)研究，證明了二氧化鈦表面水分子結(jié)構(gòu)在不同反應(yīng)環(huán)境中的可逆變化，為理解氧化物表面在真實(shí)條件下的催化機(jī)制提供了原子尺度的基本認(rèn)識(shí)（Science 2020, 367, 428）。該研究中，研究人員再次證明了利用反應(yīng)環(huán)境原位精準(zhǔn)調(diào)控材料功能表面與界面的可行性和廣闊未來。

浙江大學(xué)博士袁文濤、上海高研院博士朱倍恩和浙江大學(xué)博士研究生方珂為論文的共同第一作者；浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院/浙江大學(xué)電鏡中心教授王勇、上海高研院研究員高嶷、丹麥科技大學(xué)教授Wagner和博士Hansen為論文的共同通訊作者；中科院院士、浙江大學(xué)教授張澤，浙江大學(xué)教授楊杭生和博士研究生歐陽，中科院上海應(yīng)用物理研究所博士研究生李小艷參與了該研究。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委、浙江省自然科學(xué)基金、教育部、中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、國家超級(jí)計(jì)算廣州中心、上海超算中心、中國博士后基金、硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的共同資助和支持。 （上海高等研究院）

上海海事大學(xué)科學(xué)家研發(fā)出新的綠色防腐蝕方法

上海海事大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院劉濤課題組通過基因編輯的方法，首次在國際上提出利用海洋微生物誘導(dǎo)礦化抑制鋼鐵材料腐蝕的概念，并研發(fā)了一種新的綠色防腐蝕方法，其抑制腐蝕效果優(yōu)于傳統(tǒng)防腐蝕涂層，且具有自修復(fù)功能。相關(guān)研究成果近日以封面形式發(fā)表于《美國化學(xué)會(huì)—應(yīng)用材料及界面》。

“海洋環(huán)境中的腐蝕問題是一個(gè)國際性難題，不僅會(huì)引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)給海洋工程的安全性造成難以預(yù)計(jì)的危害。傳統(tǒng)防腐蝕方法大多依靠化學(xué)或電化學(xué)手段，成本高、過程煩瑣且易對(duì)環(huán)境造成危害。”劉濤介紹。

劉濤課題組與中國科學(xué)院南海海洋研究所王曉雪團(tuán)隊(duì)合作研究發(fā)現(xiàn)，一種南海提取的非致病海洋細(xì)菌可在材料表面形成類似于貝殼的礦化膜，通過基因?qū)用娴恼{(diào)控，可賦予其優(yōu)異的防腐蝕性能，其防腐性能甚至高于傳統(tǒng)的防腐涂層。

同時(shí)，研究人員還發(fā)現(xiàn)鋼鐵材料中的某些成分，會(huì)影響這種礦化膜的生成。課題組與寶鋼中央研究院團(tuán)隊(duì)合作，正在開發(fā)一種可以調(diào)控生物膜生長的新型耐蝕鋼。這種耐蝕鋼一方面可以經(jīng)受南海苛刻環(huán)境的腐蝕，一方面又不會(huì)抑制鋼鐵表面珊瑚蟲的附著生長，因此有望應(yīng)用于南海島礁建設(shè)和珊瑚礁的修復(fù)等領(lǐng)域。

（黃辛 吉娜）

中科院金屬所等開發(fā)出高速列車關(guān)鍵構(gòu)件疲勞壽命預(yù)測軟件系統(tǒng)

高速列車關(guān)鍵構(gòu)件服役可靠性是制約高速列車發(fā)展的核心因素之一，高速列車關(guān)鍵構(gòu)件材料疲勞壽命預(yù)測與性能優(yōu)化是亟待解決的關(guān)鍵問題。然而，材料疲勞性能優(yōu)化多停留在依靠“試錯(cuò)”階段，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且難以確保優(yōu)化效果。盡管已有多種疲勞壽命預(yù)測軟件，但是國內(nèi)仍缺少同類商用軟件。同時(shí)，我國高速列車關(guān)鍵構(gòu)件服役安全評(píng)價(jià)缺少材料疲勞性能預(yù)測與優(yōu)化理論支撐，相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜，評(píng)價(jià)方法難以在企業(yè)快速普及，性能數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)源于國外材料及工藝條件下獲得，在我國出現(xiàn)“水土不服”的問題。

中國科學(xué)院金屬研究所研究員張哲峰帶領(lǐng)材料疲勞與斷裂研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多年努力，發(fā)展出系列原創(chuàng)疲勞理論模型，為解決上述問題提供了關(guān)鍵理論支撐。近日，該團(tuán)隊(duì)研究員張鵬、副研究員白鑫與中車長春軌道客車有限公司高速列車系統(tǒng)集成國家工程實(shí)驗(yàn)室合作，針對(duì)高速列車轉(zhuǎn)向架等關(guān)鍵構(gòu)件材料，將這些原創(chuàng)理論模型與傳統(tǒng)理論相結(jié)合，聯(lián)合開發(fā)出“軌道客車常用材料和焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析平臺(tái)”，并已完成所有軟件調(diào)試與驗(yàn)收工作。該平臺(tái)功能與國產(chǎn)高速列車材料及焊接結(jié)構(gòu)開發(fā)需求契合，得到中車長客的支持和認(rèn)可。

該團(tuán)隊(duì)博士劉睿、王斌，副研究員張振軍、龐建超，與研究員張鵬，針對(duì)低周疲勞壽命、疲勞強(qiáng)度與疲勞裂紋擴(kuò)展速率，提出系列疲勞性能預(yù)測與優(yōu)化理論模型，作為解決材料疲勞性能大都依靠“試錯(cuò)”問題的關(guān)鍵理論，被首次集成于疲勞分析軟件中。低周疲勞壽命方面，提出基于滯回能參數(shù)的低周疲勞壽命預(yù)測模型，建立起金屬材料低周疲勞壽命與微觀損傷機(jī)制之間的聯(lián)系，并根據(jù)拉伸靜力韌度與加工硬化速率等重要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了低周疲勞壽命定量預(yù)測；疲勞強(qiáng)度方面，基于大量疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果和前人數(shù)據(jù)，提出高周疲勞強(qiáng)度預(yù)測模型，通過引入合金成分、微觀組織及宏觀缺陷等參量，實(shí)現(xiàn)了金屬材料高周疲勞強(qiáng)度定量預(yù)測與優(yōu)化；疲勞裂紋擴(kuò)展速率方面，通過大量疲勞裂紋擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)與斷裂力學(xué)理論分析，在經(jīng)典Paris公式的基礎(chǔ)上，通過引入強(qiáng)度因子和韌性因子，提出了疲勞裂紋擴(kuò)展速率預(yù)測模型，通過等疲勞裂紋擴(kuò)展速率線圖解法快速預(yù)測和提高疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。此外，該平臺(tái)還集成了團(tuán)隊(duì)成員提出的強(qiáng)度與硬度關(guān)系、斷裂韌性-強(qiáng)度關(guān)系、斷裂韌性尺寸效應(yīng)模型、等效疲勞壽命方法（EQ）及蒙特卡洛概率疲勞強(qiáng)度方法（MS），為簡化相關(guān)性能測試與分析提供了新的理論與方法。這些原創(chuàng)研究成果在A c t a Materialia、Physical Review B、Journal of Materials Science &Technology、Materials Science and Engineering: A、International Journal of Fatigue等期刊上發(fā)表論文10余篇，申請授權(quán)專利10余項(xiàng)。研究工作得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、汽車聯(lián)合基金項(xiàng)目、面上項(xiàng)目，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的支持。

在疲勞理論創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)副研究員白鑫集成了商用疲勞壽命分析軟件方法，建立基于國產(chǎn)材料與焊接接頭的組織與性能數(shù)據(jù)庫，解決了商業(yè)疲勞分析軟件與國產(chǎn)材料/焊接接頭疲勞分析方法在平均應(yīng)力修正、結(jié)構(gòu)應(yīng)力修正、疲勞強(qiáng)度修正的方法及參數(shù)差異問題，集成了相應(yīng)的經(jīng)典修正理論，建立了該軟件平臺(tái)的構(gòu)件壽命預(yù)測模塊。針對(duì)我國高速列車設(shè)計(jì)使用的焊接接頭及母材評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)涉及較多、使用復(fù)雜、學(xué)習(xí)成本高等問題，在算法上集成了ISO 12107、Eurocode 3、Eurocode 9、BS 7608、BS 7910、DVS 1608、DVS 1612、IIW、prEN 17149、FKM等高速列車焊接接頭及母材常用標(biāo)準(zhǔn)，使設(shè)計(jì)人員可以直接調(diào)用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的程序模塊進(jìn)行計(jì)算，簡化了高速列車焊接接頭及母材評(píng)價(jià)流程，為高速列車關(guān)鍵構(gòu)件可靠性設(shè)計(jì)提供了便利。

該平臺(tái)目前已在中車長春軌道客車有限公司安裝運(yùn)行，雙方將繼續(xù)進(jìn)行深入和全面合作，針對(duì)傳統(tǒng)理論的不足，進(jìn)一步完善該軟件平臺(tái)，使之更好地服務(wù)于高速列車關(guān)鍵構(gòu)件的服役性能評(píng)價(jià)。通過發(fā)展，該軟件平臺(tái)未來有望進(jìn)一步向航空、船舶、機(jī)械制造等重要領(lǐng)域關(guān)鍵構(gòu)件推廣應(yīng)用。

（中科院金屬研究所）

韓國自主研發(fā)成功半導(dǎo)體生產(chǎn)用涂層材料

韓國全南科技園陶瓷產(chǎn)業(yè)孵化中心扶持培育的階梯式成長企業(yè)-世元熱噴涂技術(shù)株式會(huì)社與韓國政策研究所共同自主研發(fā)成功半導(dǎo)體生產(chǎn)用涂層材料，可替代日產(chǎn)進(jìn)口材料。

世元熱噴涂技術(shù)株式會(huì)社作為專業(yè)的熱噴涂生產(chǎn)企業(yè)，2012年入駐韓國全南科技園陶瓷產(chǎn)業(yè)孵化中心，配備并使用尖端的設(shè)備研發(fā)。2016年為全羅南道木浦為陶瓷產(chǎn)業(yè)園區(qū)投資50億韓元(約1941萬人民幣)，成功量產(chǎn)極寒環(huán)境專用YSZ熱噴涂材料，為最新開發(fā)的半導(dǎo)體專用Y2O3涂層材料量產(chǎn)投資30億韓元(1765萬人民幣)。

此次開發(fā)的Y2O3(Yttrium Dioxide)涂層材料是適用于半導(dǎo)體生產(chǎn)流程設(shè)備的材料，是全部依賴日本進(jìn)口的材料。

開發(fā)出的核心技術(shù)是將因范德華力(分子間作用力)形成的粉體凝聚，從等離子游離出的氣體離子吸附于粉體表面，賦予粉體之間相互排斥的特性技術(shù)，使得細(xì)微(小)粉體不會(huì)凝聚，增強(qiáng)流動(dòng)性。

以往的產(chǎn)品會(huì)因范德華力產(chǎn)生粉體凝聚現(xiàn)象，不能生產(chǎn)形成致密涂層膜的細(xì)微(小)粉體。

世元熱噴涂技術(shù)株式會(huì)社獨(dú)自研發(fā)出可以制造熱噴涂材料的細(xì)微(小)粉體技術(shù)以后，開始與韓國國家核聚變研究所Hong Yongcheol博士團(tuán)隊(duì)共同研發(fā)解決以往涂層材料的最大問題——粉體凝聚，將開發(fā)出的涂層材料用于熱噴涂，成功完成比以往更嚴(yán)密的涂層膜，并通過和獲得了韓國多家涂層廠商的品質(zhì)檢驗(yàn)及信任。

近期，因日本的出口限制宣布了半導(dǎo)體材料國產(chǎn)化的三星電子將研發(fā)出的熱噴圖產(chǎn)品直接用于生產(chǎn)線，正在進(jìn)行質(zhì)量測試。為了保護(hù)核心技術(shù)，已經(jīng)完成在美國、日本、韓國的專利申請。

世元熱噴涂技術(shù)株式會(huì)社的研究所長Moon Heungsu表示：“通過國家技術(shù)研發(fā)事業(yè)與研究所的合作是可以實(shí)現(xiàn)技術(shù)開發(fā)及國產(chǎn)化”，“此次材料國產(chǎn)化確認(rèn)了在其他領(lǐng)域使用涂層材料的可能性。”

韓國全南科技園Yoo Dongguk園長表示：“祝賀世元熱噴涂技術(shù)株式會(huì)社成功國產(chǎn)化以前依賴日本進(jìn)口的產(chǎn)品。”“韓國全南科技園為了最小化因日本出口限制導(dǎo)致的全羅南道中小企業(yè)損失，計(jì)劃設(shè)立出口限制難關(guān)扶持中心，會(huì)將依賴進(jìn)口產(chǎn)品國產(chǎn)化企業(yè)扶持政策盡快落實(shí)到實(shí)處。”