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

    核聚變能被認為是未來實現生產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境而言，結構材料如第一壁/包層材料的輻照損傷主要表現在兩個方面：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材料的脆化和膨脹，甚至破裂。另外在核反應過程中，如果熱量不能持續地從反應核中轉移，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可，但是這種多層膜的設計使材料的熱學性能出現了斷崖式的下降，因此，面對高溫、高輻照的核反應環境，研發一種兼顧良好導熱性能和抗輻照性能的新型材料成為當務之急，也是當前研究的一大熱點問題。

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

    圖1：鎢-石墨烯多層復合材料的制備以及氦離子的注射過程

    圖1為鎢-石墨烯多層復合材料的制備以及氦離子的注射過程圖，左下側的為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）中的矩形區域。

    圖4：不同厚度的復合膜形貌研究

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

    （g）-（i） 高濃度分布區的截面高倍率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） 不同區域的高倍率TEM圖，對應圖（a）中標記的部分。

    綜上所述，研究人員結合單層石墨烯優良的導熱性能和鎢具有較低的輻照腫脹特點，設計了鎢和石墨烯的多層薄膜結構。鎢和石墨烯的多層薄膜的周期厚度可達到15-40nm。通過光熱測量技術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數量級，表明在石墨烯的嵌入下，多層鎢的熱學性質沒有較大的降低，其層間匹配程度很好，不會阻礙熱量的傳導。

    更重要的是，該結構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出熱量，而且這種結構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，為核反應堆內結構材料的選取、改良和升級提供了一種重要的方法和思路。相關論文全文發表在 Adv. Mater., 2016,（DOI: 10.1002/adma.201604623）上。

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責任編輯：王元

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