会员风采
合肥工业大学
发布日期：2025-03-28 浏览次数：209
合肥工业大学“高性能钨材料与应用”团队是我国聚变堆关键材料研发领域的领军团队，近年来主持国家级科研项目30余项，包括国家重点研发计划7项、国际(地区)合作项目1项及国家自然科学基金16项。团队聚焦聚变堆钨基材料制备、辐照损伤机理及工程应用，形成了“基础理论-核心技术-工程实践”全链条创新体系。在基础研究方面，首创微合金元素/第二相改性钨基复合粉体湿化学制备技术，攻克超细粉体分散与成分均匀性难题，开发“前驱体合成-喷雾干燥-连续还原”一体化工艺，实现单批次500千克的改性钨基复合粉体稳定制备，提出第二相晶内/晶界分布协同调控理论，使材料强度与韧性同步提升30%以上；系统揭示He/D离子辐照下α-W向γ-W相变机制及晶格畸变、非晶化规律，建立高温相变强化理论，为聚变极端环境材料设计提供新范式。在工程应用方面，研发的掺杂改性钨/铜Monoblock模块通过热等静压与焊接工艺优化，界面耐高热负荷性能显著提升，成功通过1000次10MW/m²（穿管部件）及5MW/m²（平板部件）极端测试，综合性能超越ITER标准，支撑我国长脉冲高参数等离子体实验；授权发明专利30项，发表SCI论文100余篇，成果转化近3000万元。团队深度参与ITER与CFETR计划，承担“磁约束核聚变能发展研究专项”等国家重点研发计划，推动国产高性能钨材料在核聚变能源开发中的自主化应用，为我国实现“人造太阳”战略目标提供关键材料保障。
团队自主研发的聚变装置（EAST）用钨铜模块及偏滤器部件实物图
科研成果
围绕我国核聚变工程大科学装置和高端装备发展对先进钨材料的重大需求，聚焦研发满足中国聚变工程实验堆面向等离子体材料部件用掺杂改性钨基粉体。项目采用湿法路线制备稀土/合金元素掺杂钨基复合粉体，解决钨基复合粉体的成分和致密度不均匀的问题，通过钨材料微结构和成分设计优化协同提升钨基材料性能，解决钨基材料强度/韧性难以同时提升的瓶颈问题。
（1）发明了湿法制备高均质的稀土/微合金元素掺杂改性钨基复合粉体关键技术
创新性采用自制的前驱体粉制备装置和连续还原炉，获得了前驱体批量生产技术（前驱体制备装置如图2（a），单批次500千克/装置），氢气气氛下还原形成钨-稀土氧化物复合粉（如W-Y₂O₃、W-Zr/Y₂O₃），复合粉粒度为0.5~2μm，颗粒大小均匀。复合粉尺寸在30~2000 nm范围内可控，掺杂粉成分/质量可控。经引入表面活性剂突破了常规湿法或机械球磨存在的超细掺杂钨粉难分散、颗粒尺寸和分布不可控等瓶颈问题，攻克了湿法随规模化生产导致的成分不均匀和质量稳定性低技术难题。实现了烧结体第二相晶内/晶界分布双调控结构，取得了第二相/析出相颗粒在晶内/晶界分布调控协同提升钨合金强度/韧性理论突破。所制备的钨基复合粉体经冷等静压、烧结和轧制工艺，获得了纳米第二相晶内/晶界分布可控的综合性能优异的钨材料。
（2）研发出了湿法高均质稀土/微合金元素掺杂改性钨基复合粉体绿色稳定生产技术与装备
针对湿法制备高均质的稀土/微合金元素掺杂改性钨基复合粉体工业化复杂生产条件，联合相应设备生产厂家设计与研发了200L/套玻璃反应釜、耐酸（pH值1-3）喷雾干燥设备及连续式推舟还原炉成套装备。针对掺杂改性钨基复合前驱体浆料反应产率瓶颈问题，通过搅拌结构优化，原料逐步添加，实现了掺杂改性钨基复合前驱体浆料反应产率大幅提升（>90%）；针对粉体制备过程中产生废气及废水，通过合适的尾气喷淋塔、物料动态监测及废水循环利用，实现了绿色稳定制备高均质稀土/微合金元素掺杂改性钨基复合粉体。
掺杂改性钨基复合粉体生产装置：(a)玻璃反应釜; (b)喷雾干燥机;(c)粉体还原炉; (d)尾气喷淋塔
（3）获得了质量稳定的高性能W-Y₂O₃系列复合材料
采用湿化学法获得的核壳结构第二相/微合金元素改性钨复合粉体，经冷等静压、烧结和轧制工艺，获得了质量稳定的高性能W-Y₂O₃系列复合材料，第二相颗粒均匀分布在晶内/晶界（图3），起到了晶界钉扎和晶内驻存双重作用，即阻碍位错移动而发生强化，且减缓晶粒长大趋势，强韧并存且维持钨材料的连续性，产生良好的导热性能和力学性能，室温下热导率为187.258 W/(m-1K-1)，1100K下热导率为125.405W/(m-1K-1)，超过ITER钨指标，100°C的极限抗拉强度>1.1 GPa，延伸率>12%（图4），综合力学性能优于文献报道。经等离子体辐照实验评估，掺杂改性钨材料表现出良好的抗He/D离子的辐照损伤能力（图5），综合性能明显高于国家大科学装置——EAST装置现采用的ITER标准钨要求，为未来应用于国家大科学装置——CRETR偏滤器材料选择与部件制造奠定基础。
![C:\Users\LLM\Documents\Tencent Files\915073493\Image\C2C\Q_FGWHO{9M31INY)%0J%]2Q.jpg](/upload/2025-12/2025123019042515799.jpeg)
图2 W-Y2O3烧结体TEM显微结构 (a)晶内Y2O3颗粒均匀分布；(b)第二相颗粒高倍形貌及其衍射斑点；(c)晶界Y2O3结合状态；(d)为(c)对应Y2O3颗粒的高分辨
图3 复合材料拉伸性能曲线（a）RT-600℃; （b）与文献报道对比情况; （c）1000℃; （d）1500℃
图4 纯钨及W-Y2O3复合材料氦离子辐照后表面形貌
合肥工业大学“高性能钨材料与应用”团队是我国聚变堆关键材料研发领域的领军团队，近年来主持国家级科研项目30余项，包括国家重点研发计划7项、国际(地区)合作项目1项及国家自然科学基金16项。团队聚焦聚变堆钨基材料制备、辐照损伤机理及工程应用，形成了“基础理论-核心技术-工程实践”全链条创新体系。在基础研究方面，首创微合金元素/第二相改性钨基复合粉体湿化学制备技术，攻克超细粉体分散与成分均匀性难题，开发“前驱体合成-喷雾干燥-连续还原”一体化工艺，实现单批次500千克的改性钨基复合粉体稳定制备，提出第二相晶内/晶界分布协同调控理论，使材料强度与韧性同步提升30%以上；系统揭示He/D离子辐照下α-W向γ-W相变机制及晶格畸变、非晶化规律，建立高温相变强化理论，为聚变极端环境材料设计提供新范式。在工程应用方面，研发的掺杂改性钨/铜Monoblock模块通过热等静压与焊接工艺优化，界面耐高热负荷性能显著提升，成功通过1000次10MW/m²（穿管部件）及5MW/m²（平板部件）极端测试，综合性能超越ITER标准，支撑我国长脉冲高参数等离子体实验；授权发明专利30项，发表SCI论文100余篇，成果转化近3000万元。团队深度参与ITER与CFETR计划，承担“磁约束核聚变能发展研究专项”等国家重点研发计划，推动国产高性能钨材料在核聚变能源开发中的自主化应用，为我国实现“人造太阳”战略目标提供关键材料保障。
团队自主研发的聚变装置（EAST）用钨铜模块及偏滤器部件实物图
科研成果
围绕我国核聚变工程大科学装置和高端装备发展对先进钨材料的重大需求，聚焦研发满足中国聚变工程实验堆面向等离子体材料部件用掺杂改性钨基粉体。项目采用湿法路线制备稀土/合金元素掺杂钨基复合粉体，解决钨基复合粉体的成分和致密度不均匀的问题，通过钨材料微结构和成分设计优化协同提升钨基材料性能，解决钨基材料强度/韧性难以同时提升的瓶颈问题。
（1）发明了湿法制备高均质的稀土/微合金元素掺杂改性钨基复合粉体关键技术
创新性采用自制的前驱体粉制备装置和连续还原炉，获得了前驱体批量生产技术（前驱体制备装置如图2（a），单批次500千克/装置），氢气气氛下还原形成钨-稀土氧化物复合粉（如W-Y₂O₃、W-Zr/Y₂O₃），复合粉粒度为0.5~2μm，颗粒大小均匀。复合粉尺寸在30~2000 nm范围内可控，掺杂粉成分/质量可控。经引入表面活性剂突破了常规湿法或机械球磨存在的超细掺杂钨粉难分散、颗粒尺寸和分布不可控等瓶颈问题，攻克了湿法随规模化生产导致的成分不均匀和质量稳定性低技术难题。实现了烧结体第二相晶内/晶界分布双调控结构，取得了第二相/析出相颗粒在晶内/晶界分布调控协同提升钨合金强度/韧性理论突破。所制备的钨基复合粉体经冷等静压、烧结和轧制工艺，获得了纳米第二相晶内/晶界分布可控的综合性能优异的钨材料。
（2）研发出了湿法高均质稀土/微合金元素掺杂改性钨基复合粉体绿色稳定生产技术与装备
针对湿法制备高均质的稀土/微合金元素掺杂改性钨基复合粉体工业化复杂生产条件，联合相应设备生产厂家设计与研发了200L/套玻璃反应釜、耐酸（pH值1-3）喷雾干燥设备及连续式推舟还原炉成套装备。针对掺杂改性钨基复合前驱体浆料反应产率瓶颈问题，通过搅拌结构优化，原料逐步添加，实现了掺杂改性钨基复合前驱体浆料反应产率大幅提升（>90%）；针对粉体制备过程中产生废气及废水，通过合适的尾气喷淋塔、物料动态监测及废水循环利用，实现了绿色稳定制备高均质稀土/微合金元素掺杂改性钨基复合粉体。
掺杂改性钨基复合粉体生产装置：(a)玻璃反应釜; (b)喷雾干燥机;(c)粉体还原炉; (d)尾气喷淋塔
（3）获得了质量稳定的高性能W-Y₂O₃系列复合材料
采用湿化学法获得的核壳结构第二相/微合金元素改性钨复合粉体，经冷等静压、烧结和轧制工艺，获得了质量稳定的高性能W-Y₂O₃系列复合材料，第二相颗粒均匀分布在晶内/晶界（图3），起到了晶界钉扎和晶内驻存双重作用，即阻碍位错移动而发生强化，且减缓晶粒长大趋势，强韧并存且维持钨材料的连续性，产生良好的导热性能和力学性能，室温下热导率为187.258 W/(m-1K-1)，1100K下热导率为125.405W/(m-1K-1)，超过ITER钨指标，100°C的极限抗拉强度>1.1 GPa，延伸率>12%（图4），综合力学性能优于文献报道。经等离子体辐照实验评估，掺杂改性钨材料表现出良好的抗He/D离子的辐照损伤能力（图5），综合性能明显高于国家大科学装置——EAST装置现采用的ITER标准钨要求，为未来应用于国家大科学装置——CRETR偏滤器材料选择与部件制造奠定基础。
图2 W-Y2O3烧结体TEM显微结构 (a)晶内Y2O3颗粒均匀分布；(b)第二相颗粒高倍形貌及其衍射斑点；(c)晶界Y2O3结合状态；(d)为(c)对应Y2O3颗粒的高分辨
图3 复合材料拉伸性能曲线（a）RT-600℃; （b）与文献报道对比情况; （c）1000℃; （d）1500℃
图4 纯钨及W-Y2O3复合材料氦离子辐照后表面形貌
- 上一篇：北京大学
- 下一篇：陕西循天广播技术有限公司
