中科院合肥研究院聚變堆阻氚涂層輻照損傷研究獲進展

近日，中國科學院合肥物質(zhì)科學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α-氧化鋁阻氚涂層阻氚性能影響機理研究方面取得新進展。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算方法，模擬氫在含有不同輻照點缺陷的α-氧化鋁內(nèi)部的溶解擴散行為，研究氫與輻照點缺陷的相互作用，探索氫的存在形式，揭示輻照點缺陷對其阻氚性能的影響機理。

氫-缺陷團簇的形成能隨費米能級的變化曲線

研究發(fā)現(xiàn)，氫在α-氧化鋁內(nèi)部易被空位型點缺陷特別是鋁空位捕獲，從而以氫-空位團簇的形式存在，而氫-空位團簇在α-氧化鋁內(nèi)部很難擴散，因而孤立的空位型點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-的形式進行擴散。由于OiH-的擴散能壘非常小，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)境下更容易滲透進入α-氧化鋁。

該研究對于聚變堆阻氚涂層的設(shè)計、制備和服役評估具有重要參考價值。

（中科院合肥物質(zhì)科學研究院）

上海高研院等實現(xiàn)納米材料界面的原位精準原子級調(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。金屬顆粒在負載過程中與基底形成的界面具有隨機性，目前，負載完成以后亦缺乏有效手段對界面進行“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“不可能的任務(wù)”。

浙江大學、中國科學院上海高等研究院、丹麥科技大學的研究團隊經(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算，對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的可逆變化進行解析，理解了活性界面與反應(yīng)環(huán)境之間的動態(tài)原位相關(guān)關(guān)系，提出并首次實現(xiàn)了界面活性位點的原子級別精準原位調(diào)控。相關(guān)研究成果發(fā)表在《科學》上，該研究對如何從機制出發(fā)，自下而上的實現(xiàn)材料、器件結(jié)構(gòu)和功能的精準調(diào)控和設(shè)計具有重要意義。

負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。浙江大學依托原位環(huán)境電鏡開展催化反應(yīng)實驗，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)時金顆粒發(fā)生面內(nèi)（外延）轉(zhuǎn)動（約9.5°），首次通過可視化實驗直觀證明了活性位點位于界面；發(fā)現(xiàn)停止通入一氧化碳催化時，金顆粒轉(zhuǎn)回到原來的位置。為了完全確認轉(zhuǎn)動現(xiàn)象，實驗團隊從側(cè)視與俯視兩個角度，進行了精細審慎的表征。之所以如此慎重，是因為此次看到的催化劑旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，通常被認為是不可能發(fā)生的現(xiàn)象：因為金顆粒和二氧化鈦結(jié)合在一起時，形成了新的化學鍵，“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。

是什么讓“不可能”成了“可能”？實驗觀察到的現(xiàn)象背后的機制是什么？這是否可以被利用來實現(xiàn)催化劑界面精確調(diào)控的夢想？上海高研院理論團隊根據(jù)實驗結(jié)果，猜測誘導(dǎo)顆粒轉(zhuǎn)動的“元兇”是界面吸附的氧，并就此推測，進行了系列的第一性原理及納米尺度熱力學計算。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)合的同時喪失了一定的吸氧能力，轉(zhuǎn)動了一個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。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。

基于上述理論認識，研究人員進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)計思路，并最終在原位電鏡實驗中實現(xiàn)。

上海高研院博士朱倍恩指出：“固體晶體通常被認為是一種穩(wěn)固的材料，對固體晶體材料的調(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的原位可塑性?！边@些原位實驗現(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隊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）；在實驗合作中，展現(xiàn)了理論模擬對原位實驗現(xiàn)象從理解到設(shè)計所起到的重要作用（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《化學研究報告》和《德國應(yīng)用化學》發(fā)表綜述，總結(jié)了該團隊的理論模型及在實驗中的廣泛應(yīng)用（Acc. Chem.Res. 2018, 51, 2739；Angew.Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2171）。在2020年初的《科學》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條件下的催化機制提供了原子尺度的基本認識（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。

浙江大學博士袁文濤、上海高研院博士朱倍恩和浙江大學博士研究生方珂為論文的共同第一作者；浙江大學材料科學與工程學院/浙江大學電鏡中心教授王勇、上海高研院研究員高嶷、丹麥科技大學教授Wagner和博士Hansen為論文的共同通訊作者；中科院院士、浙江大學教授張澤，浙江大學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基金委、浙江省自然科學基金、教育部、中科院青年創(chuàng)新促進會、國家超級計算廣州中心、上海超算中心、中國博士后基金、硅材料國家重點實驗室的共同資助和支持。 （上海高等研究院）

上海海事大學科學家研發(fā)出新的綠色防腐蝕方法

上海海事大學海洋科學與工程學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《美國化學會—應(yīng)用材料及界面》。

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

劉濤課題組與中國科學院南海海洋研究所王曉雪團隊合作研究發(fā)現(xiàn)，一種南海提取的非致病海洋細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，研究人員還發(fā)現(xiàn)鋼鐵材料中的某些成分，會影響這種礦化膜的生成。課題組與寶鋼中央研究院團隊合作，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”階段，不僅費時費力，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，我國高速列車關(guān)鍵構(gòu)件服役安全評價缺少材料疲勞性能預(yù)測與優(yōu)化理論支撐，相關(guān)國際標準復(fù)雜，評價方法難以在企業(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隊經(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，該團隊研究員張鵬、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)集成國家工程實驗室合作，針對高速列車轉(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”，并已完成所有軟件調(diào)試與驗收工作。該平臺功能與國產(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可。

該團隊博士劉睿、王斌，副研究員張振軍、龐建超，與研究員張鵬，針對低周疲勞壽命、疲勞強度與疲勞裂紋擴展速率，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”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)，實現(xiàn)了低周疲勞壽命定量預(yù)測；疲勞強度方面，基于大量疲勞強度實驗結(jié)果和前人數(shù)據(jù)，提出高周疲勞強度預(yù)測模型，通過引入合金成分、微觀組織及宏觀缺陷等參量，實現(xiàn)了金屬材料高周疲勞強度定量預(yù)測與優(yōu)化；疲勞裂紋擴展速率方面，通過大量疲勞裂紋擴展實驗與斷裂力學理論分析，在經(jīng)典Paris公式的基礎(chǔ)上，通過引入強度因子和韌性因子，提出了疲勞裂紋擴展速率預(yù)測模型，通過等疲勞裂紋擴展速率線圖解法快速預(yù)測和提高疲勞裂紋擴展壽命。此外，該平臺還集成了團隊成員提出的強度與硬度關(guān)系、斷裂韌性-強度關(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。研究工作得到國家自然科學基金重點項目、汽車聯(lián)合基金項目、面上項目，國家重點研發(fā)計劃及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的支持。

在疲勞理論創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，該團隊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，建立了該軟件平臺的構(gòu)件壽命預(yù)測模塊。針對我國高速列車設(shè)計使用的焊接接頭及母材評價標準涉及較多、使用復(fù)雜、學習成本高等問題，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準，使設(shè)計人員可以直接調(diào)用相關(guān)標準的程序模塊進行計算，簡化了高速列車焊接接頭及母材評價流程，為高速列車關(guān)鍵構(gòu)件可靠性設(shè)計提供了便利。

該平臺目前已在中車長春軌道客車有限公司安裝運行，雙方將繼續(xù)進行深入和全面合作，針對傳統(tǒng)理論的不足，進一步完善該軟件平臺，使之更好地服務(wù)于高速列車關(guān)鍵構(gòu)件的服役性能評價。通過發(fā)展，該軟件平臺未來有望進一步向航空、船舶、機械制造等重要領(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)進口材料。

世元熱噴涂技術(shù)株式會社作為專業(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)，使得細微(小)粉體不會凝聚，增強流動性。

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

世元熱噴涂技術(shù)株式會社獨自研發(fā)出可以制造熱噴涂材料的細微(小)粉體技術(shù)以后，開始與韓國國家核聚變研究所Hong Yongcheol博士團隊共同研發(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，正在進行質(zhì)量測試。為了保護核心技術(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現(xiàn)技術(shù)開發(fā)及國產(chǎn)化”，“此次材料國產(chǎn)化確認了在其他領(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)株式會社成功國產(chǎn)化以前依賴日本進口的產(chǎn)品?！薄绊n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，計劃設(shè)立出口限制難關(guān)扶持中心，會將依賴進口產(chǎn)品國產(chǎn)化企業(yè)扶持政策盡快落實到實處。”