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范景莲：难熔金属女中豪杰作者：张涵来源：《创新时代》2018年第07期范景莲，现任中南大学难熔金属与硬质合金研究所所长、湖南省纳米材料工程中心常务副主任，先后获得国家杰出青年基金、中组部“万人计划”、教育部“长江学者”、全国创新争先奖、何梁何利基金、全国优秀科技工作者等荣誉，享受国务院特殊津贴。
对于一名女性科学家来说，获得这样的成绩和荣誉实属不易。
1967年7月，范景莲出生于湖南澧县，1983年进入中南大学就读，硕士毕业工作数年后又回到母校攻读博士，并于2001年被破格评为中南大学教授。
自1990年开始，范景莲教授一直从事难熔合金新材料、新技术和基础理论研究，先后承担了国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目和面上项目、科技部“863”计划、科技部“ITER”专项、总装重大专项、国防军工项目等30余项科技攻关。
针对新型空天飞行器、火箭发动机、原子能等领域对难熔金属材料的重大需求和现有难熔金属强韧性不足、高温抗氧化烧蚀差的问题，范景莲创新性提出“纳米原位复合/微纳复合”设计思想，发展了纳米/微纳复合粉末制备原理与技术，建立了高性能微细结构难熔复合材料烧结理论，开辟“纳米/微纳复合高性能难熔金属基复合材料”新领域，取得系列重大突破。
一、原创发明超高温轻质难熔金属基抗烧蚀复合材料，为新型空天飞行器和火箭发动机提供高性能关键高温材料保障新型空天飞行器研制是目前世界各空天强国重点探索的领域，代表了空天技术发展的重大方向。
新型飞行器在近地空间以极高速度长时间飞行，其前端关键结构部件与空气产生剧烈的摩擦和冲击，表面产生2000～3000℃高温，同时还承受强表面氧化和高动压高过载冲击，这对热端构件提出了极为苛刻的使用要求，要求具有优异的高温强韧、长时间抗氧化抗烧蚀与轻量化等综合性能，因此，热端构件材料的热防护问题是国际公认的最突出技术难题。
现有高温材料因存在高温强度低、抗氧化和抗烧蚀性差或密度高等不足，无法满足新型空天飞行器热端部件的使用要求，成为新型空天飞行器研制的关键技术瓶颈。
1.研究课题在国内外研究情况及水平在未来以氘氚为燃料的聚变堆中，实现深度加料对聚变电站的安全和经济运行至关重要。
氚的深度加料能降低氚在面向等离子体材料中的滞留，还能极大提高氚的燃烧率，从而降低对包层增殖能力和氚工厂处理能力的要求，简化电站设计，节约成本。
弹丸加料一直是磁约束聚变研究中的热点问题，具有加料效率高，能形成芯部高度峰化的密度分布，拓宽装置运行区域，改善等离子体约束性能等优点，因而世界各国在磁约束核聚变装置上广泛采用这种加料技术。
实验上，早期的弹丸加料采用低场侧注入位形，发现加料效率随穿透深度增加而增加，激发了科学家研发高速弹丸的热情。
上世纪 90 年代中期，Lang P T等发现燃料弹丸从托卡马克高场侧(HFS)注入比从低场侧(LFS)注入具有更高的加料效率，这一结果在随后的 DⅢ-D 实验中得到了证实。
ITER上也拟采用HFS的弹丸注入位形，但由于需要弯曲导管将弹丸引导至高场侧，弹丸不可避免地要与管壁发生碰撞，从而限制了弹丸的速度和穿透深度。
另一方面，弹丸加料的理论和模拟计算加深了对弹丸加料物理过程的理解。
上世纪七十年代后期，Parks发展了中性气体屏蔽（NGS）模型，该模型被广泛应用于弹丸穿透深度的预测，并能与弹丸消融数据库IPADBASE中的数据很好符合。
之后，其它模型考虑了更精细的效应，如冷等离子体的屏蔽，静电屏蔽，磁屏蔽等。
对于消融云在大半径方向漂移的现象，当今比较一致的观点是，消融云在托卡马克非均匀磁场位形下经历梯度和曲率漂移，产生电荷分离，并形成垂直方向的电场，在E×B力的作用下，消融云沿大半径方向漂移，从而使得HFS注入的弹丸穿透深度更大。
Parks等人开发的PRL程序对此进行了很好的模拟。
虽然在现有的磁约束聚变装置上，弹丸加料的实验和理论模拟都获得了巨大成功，但是，在未来聚变堆中，由于等离子体极高的温度与密度，如果采用当今装置上的的弹丸参数（如尺寸、速度等），很难实现深度穿透。
核聚变反应堆的材料科学研究在当今能源需求不断增长、传统能源面临诸多限制的背景下，核聚变作为一种几乎取之不尽、用之不竭的清洁能源，成为了科学界和工程界的研究热点。
然而，要实现可控核聚变并将其转化为实用的能源，面临着众多巨大的挑战，其中材料科学的研究是至关重要的一环。
核聚变反应发生在极高的温度和压力条件下，对反应堆内所使用的材料提出了极其苛刻的要求。
首先，材料需要能够承受高温环境，通常在数千万度甚至更高的温度下保持稳定的物理和化学性质。
在这样的高温下，大多数常规材料都会迅速熔化、气化甚至发生分解。
其次，材料还需要承受强大的中子辐照。
在核聚变反应中，会产生大量高能中子，这些中子会与材料中的原子发生碰撞，导致原子移位、产生缺陷，并引起材料的结构和性能发生变化。
长期的中子辐照可能会使材料变脆、失去强度，甚至出现放射性。
另外，核聚变反应堆内的材料还需要具备良好的导热性能。
快速将反应产生的热量导出，对于维持反应堆的稳定运行和防止局部过热至关重要。
同时，材料也需要具备良好的抗腐蚀性能，以应对复杂的化学环境。
在众多材料中，钨及其合金由于其高熔点、高强度和良好的抗中子辐照性能，成为了核聚变反应堆中面向等离子体部件的候选材料之一。
然而，钨在高温下容易脆化，并且其加工难度较大，这给实际应用带来了一定的困难。
科学家们正在通过改进制备工艺、添加合金元素等方法来改善钨材料的性能。
另一种备受关注的材料是碳化硅复合材料。
碳化硅具有良好的高温稳定性、导热性和抗辐照性能，同时其密度相对较低，有利于减轻反应堆的重量。
但碳化硅在高温下与氢气等气体的反应以及其复杂的制备工艺仍然是需要解决的问题。
除了上述材料，一些新型的高温超导材料也在研究之中。
这些超导材料在低温下能够实现零电阻，有助于提高磁场强度，从而更好地约束等离子体。
但超导材料的低温工作条件和复杂的冷却系统也带来了一系列技术挑战。
为了开发出适合核聚变反应堆的理想材料，科学家们采用了多种研究方法。
概况：1.什么是聚变反应？与裂变反应区别？几类？如何使聚变持续时间长？轻原子核（氘和氚）结合成较重的原子核（氦）时能放出巨大能量,这种核反应称为聚变反应。
区别：1．几乎无放射性废物，不污染环境；2.运行安全可靠（固有安全性，无超临界事故，余热安全）；3.燃料丰富而且其价格低廉。
两类：磁约束受控核聚变；惯性约束受控核聚变。
1.等离子体高温Ｔ：克服库仑斥力，发生碰撞，产生初始核聚变反应，实际D-T聚变反应:T>10KeV, 1KeV=107K2.等离子体密度足够高ｎ：发生足够多有效聚变反应3.约束控制等离子体：使等离子体热绝缘，维持等离子体高温4. 能量自持：聚变释放的能量大于维持等离子体所需能量2．聚变堆（托卡马克）的重要组成部分？磁体：产生磁场位形环向磁场磁体：由纵场线圈组成，产生环向磁场极向磁体系统：包括欧姆变压器线圈、平衡磁场线圈成形磁场线圈、偏滤器线圈环形真空室限制器(又名孔栏)：保护真空室, 避免与等离子体直接作用偏滤器: 排热、杂质控制、除灰包层：带走中子能量，并增殖氚加热系统：加热等离子体补充送气和固体弹丸系统：补充燃料诊断设备：温度、密度、磁场等参数与形状测量供电系统：给磁场线圈供电此外，还包括反馈控制系统及机械支架系统等等离子体：1．什么是等离子体？约束粒子通行粒子安全因子撕裂模等离子体（Plasma）的定义：等离子体是由大量带电粒子组成的非束缚态宏观体系。
安全因子：一条磁力线绕小截面一周后在大环方向的环绕圈数撕裂模：为环形装置主要宏观不稳定性的一种，其性质为电阻，形态低M，驱动源为电流梯度，稳定方法是磁剪切（q a>m).2．为什么简单圆环型磁场不能约束带电粒子？在均匀磁场中，带电粒子的运动轨迹为螺旋线，可分解成平行磁场方向的自由运动和垂直磁场方向的回旋运动，这是由于环向等离子体电流产生极向磁场实现旋转变换。
如果是圆环型磁场进行约束，则带电粒子会发生漂移而大幅损失。
飞秒-纳秒双脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对合金的定量分析何亚雄;王一钦;韩晶阳;许淼;陈楠;谭金宝;温起帆;柯川;高亮;才来中;赵栋烨【期刊名称】《中国无机分析化学》【年(卷),期】2024(14)2【摘要】激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术几乎不受聚变环境中的强磁场影响,是一种最有希望实现托卡马克装置中面向等离子体材料(Plasma facing materials,PFMs)原位在线诊断的技术,已被用于多个托卡马克PFMs壁诊断。
然而,LIBS技术对PFMs表面元素的探测限、定量分析以及PFMs的服役状态判定依旧面临很大挑战。
采用同轴飞秒-纳秒激光协同技术,建立了飞秒-纳秒双脉冲激光诱导击穿光谱(fs-ns-DP-LIBS)技术,通过高峰值功率、低激光能量的飞秒激光诱导等离子体,再用纳秒激光增强常规单脉冲LIBS技术信号发射强度,进而提升常规单脉冲LIBS的探测灵敏度,同时结合6种合金标准样品,采用fs-ns-DP-LIBS技术对样品中的主要元素进行了定量分析,并进一步结合机器学习方法对6种合金进行种类判别。
结果显示:在纳秒单脉冲和飞秒单脉冲LIBS检测中,Ni、Fe和Mo在400~800 nm波段没有观察到明显特征峰,仅观察到Cr的特征峰;在飞秒-纳秒脉冲间2μs延时,NiⅠ498.02 nm、FeⅠ517.16 nm、FeⅠ523.85 nm、MoⅠ588.83 nm和MoⅠ603.07 nm均被激发,且Cr的特征峰强度增强明显;并且相比对纳秒单脉冲LIBS技术,Cr的信号强度提高约7倍。
定量分析结果显示,fs-ns-DP-LIBS技术绘制的定标曲线拟合度(R ^(2))更高,且Cr的探测限提高约3.5倍。
进一步采用决策树、最近邻、线性判别和支持向量机等算法对6种合金进行了分类研究,线性判别和支持向量机的分类预测准确率大于99%。
金属钨涂层制备工艺的研究进展刘艳红;张迎春;葛昌纯【摘要】金属钨属于难熔金属,具有高的强度和硬度,同时具有良好的化学稳定性,不易受到腐蚀,但其昂贵的价格及难加工特性限制了其应用,因此,用金属钨作为涂层材料来改善基体材料的性能,引起了众多研究者的关注.该文综述纯金属钨涂层的几种重要制备方法,包括:熔盐电镀法,等离子喷涂法,爆炸喷涂法,气相沉积法等.等离子喷涂是钨涂层制备中最为成熟的1种方法,基体材料不受限制,涂层厚度容易控制.熔盐电镀法能够通过电化学反应从化合物中一步获得厚度均匀的金属钨涂层,并且可避免引入氧和碳等杂质.化学气相沉积法获得的钨涂层致密度高;物理气相沉积法可以在任意基材上获得钨涂层.同时介绍这些方法各自的技术特点和目前的研究现状,并对金属钨涂层的制备方法进行展望.【期刊名称】《粉末冶金材料科学与工程》【年(卷),期】2011(016)003【总页数】8页(P315-322)【关键词】钨涂层;电镀;喷涂;气相沉积;制备【作者】刘艳红;张迎春;葛昌纯【作者单位】北京科技大学,材料科学与工程学院,北京,100083;北京科技大学,材料科学与工程学院,北京,100083;北京科技大学,材料科学与工程学院,北京,100083【正文语种】中文【中图分类】TF841.1金属钨具有非常高的熔点、沸点，极高的强度、硬度，以及很小的电子逸出功及很好的化学稳定性。
但是钨储量稀少，价格昂贵，而且加工困难，直接用于制造较大型部件成本较高。
因此，近百年来人们尝试采用各种方法在基体材料表面制备纯金属钨镀层，这样既能充分利用钨的优异的机械、化学及电性能，又能极大地降低制造成本。
基体材料表面镀覆金属钨涂层后可广泛用作耐磨、耐蚀和热屏蔽材料，如固体火箭发动机喷管喉衬材料[1]、药型罩材料[2]、各种武器表面涂层[3]、X射线机中的靶材[4]、微电子器件中的探针和触头以及汽车发动机的传感器等[5]。
尤其是近年来在国际热核聚变堆(ITER, international thermonuclear experimental reactor)中用于面向等离子体第一壁涂层材料已引起了世界范围内的关注和重视[6-8]。
聚变堆材料（部分⽰意,仅供参考）1、核聚变反应堆所⽤的材料主要包括：A 热核材料；B 第⼀壁材料；C ⾼热流部件材料；D 氚增殖材料2、核聚变堆设计和⼯况条件A 第⼀壁环境条件，第⼀壁是聚变堆中离等离⼦体最近的部件，应具有抗中⼦辐照损伤能⼒，对氢脆和氦脆(指材料中掺⼊氢⽓、氦⽓，材料会变脆，相应性能降低)不敏感，与冷却介质和包层材料相容性好。
B 真空壁材料的设计限值，包括使⽤温度、热导率、热膨胀系数、强度、弹性模量等上限要求。
C ⽐起裂变反应堆，聚变反应堆具有特有的材料⼯艺问题：超导磁体及低温技术，强磁场下导电液体的泵送技术，14MeV中⼦的辐照损伤、氦离⼦轰击和溅射起泡现象等。
3、第⼀壁材料（1）奥⽒体（可以说是铁的同位素钢中性能最好的⼀种，应⽤范围最⼴，但也不绝对）不锈钢。
优点：该材料具有良好的加⼯、焊接性能，与氦冷却剂和陶瓷增殖材料相容性好；缺点：但屈服强度较低，抗辐照肿胀性较差。
（2）铁素体和马⽒体不锈钢优点：与奥⽒体不锈钢相⽐，抗辐照肿胀性好，具有更⾼的热应⼒因⼦和更好的液态⾦属腐蚀⾏为，与候选冷却剂及氚增殖剂的化学相容性好；缺点：但对热机械处理⼗分敏感，退⽕（钢材料性能改善的⼿段之⼀，退⽕温度由相图决定。
简单地讲，就是将钢的温度加热到某⼀温度，使晶格发⽣变化，以达到某种性能，再在这⼀新材料的基础上⽤某种⼿段降温⾄室温，降温速度不同，材料变形不同）温度和时间的变化对其性能影响较⼤，且焊接⼯艺要求较为苛刻。
（3）钒合⾦优点：具有优良的⾼温⼒学性能、抗腐蚀肿胀性能和低中⼦活化特性，与⾼纯氦相容性好，⼀般需要在合⾦表⾯覆镀⼀层绝缘性膜；缺点：不过存在氢脆现象，且钒合⾦的⼯业⽣产经验和性能数据较为贫乏，⽬前通常在惰性保护⽓体或真空环境中进⾏该合⾦的焊接⼯作。
（4）SiC/SiC复合材料优点：具有优良的⾼温性能。
在氦冷却介质系统中可⼯作到800摄⽒度，可⼤⼤提⾼能源系统的热效率。
它⽐⾦属类材料在安全、维护和放射性处理⽅⾯具有更⼤的优势。
面向等离子体材料
中国科学院上海硅酸盐研究所 作者：武安华
图1 面向等离子体材料
图2 Tokamak装置示意图
(a)Outline(b)Inside
能源是现代社会生活和发展的基础，取暖、防暑、照明、交通以及我们的日常生活都需要
能源。目前，化石能源(一次能源)如煤、石油、天然气还是人类最主要的能量来源。能源短缺的
问题已经暴露出来，而且将会变得越来越严重，为争夺有限的能源资源，获得稳定的石油供应，
保证国民经济的发展，一些发达国家以“反恐”为名，不惜在石油储备丰富的海湾地区大动干戈。
至于其它形式的能源，如水资源、太阳能、地热、风能和潮夕等的开发，受自然条件严重约束，
只能在局部地区使用，不可能成为骨干能源。于是，人们将目光投向了核能。
聚变燃料具有很高的能量密度，0.6吨氘所蕴含的能量相当于2000000吨煤(21000个火车皮
装载量)或1300000吨石油(10000000桶)或者30吨(1火车皮)氧化铀所蕴含的能量。普通水中，
氢元素中的1/6500是氘原子。氘可以从海水中提取。氚可以从锂(Li)的增殖反应来获得。锂(Li)
在地壳中大量赋存。
受控核聚变将会为人类提供一种清洁的、取之不尽、用之不竭的能源。聚变有以下几个方面
优势：一是聚变反应放出的能量是裂变的四倍。二是聚变原料(氘、氚)存量丰富，具有总量达
40亿吨，可供人类使用300亿年。三是聚变不产生放射性物质，不存在核废料处理问题，不污
染环境。四是聚变堆出现事故时，可以通过停止加料使反应停止，不产生余热，不会出现堆芯熔
化和泄漏事故。
为了能和平利用聚变能，许多科学家进行了不断的探索和研究，其中的关键的问题是核聚变
的受控问题，而其中重要的材料问题就是面向等离子体材料的研制。面向等离子体材料是指在聚
变装置内直接面向高温等离子体，用来保护聚变装置的第一壁和偏滤器的由B、C和Si等元素构
成的低原子序数，高熔点，无毒性的无机非金属材料，如图1所示。在热核聚变装置中，聚变等
离子体的边缘与其面对的材料有着强烈的作用，而面向等离子体材料有以下的良好性能：一是良
好的导热性、抗热震性和高熔点；二是它受到等离子体强烈辐照等物理和化学冲刷所产生的杂质
的数量很低，保证了聚变堆长期运行；三是它与氢(氘、氚)较低的吸附活性低，吸放气现象很少
发生，保证了氢(氘、氚)的再循环作用；四是低放射性。这些优良性能保证了聚变堆装置的正常
运行，为将来的聚变堆发电提供了有力的保障。
