中科院合肥研究院聚变堆阻氖涂层辐照损伤研究获进展等（共5条）

中科院合肥研究院聚变堆阻氚涂层辐照损伤研究获进展

近日，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所聚变堆材料及部件研究室副研究员周海山课题组，在辐照缺陷对α-氧化铝阻氚涂层阻氚性能影响机理研究方面取得新进展。相关研究成果以Influence of irradiation-induced point defects on the dissolution and diffusion properties of hydrogen in α-Al2O3: a firstprinciples study为题，发表在Nuclear Fusion上。

未来聚变堆中，为了降低燃料损失、实现氚的自持，氚增殖包层结构材料及其辅助系统必须具有尽可能低的氚渗透率。除了可靠的包层和涉氚系统结构设计外，在涉氚部件的内外表面涂覆阻氚涂层是降低氚渗透率的有效措施。然而，在聚变堆内，阻氚涂层受到高能中子辐照会产生大量辐照缺陷，可能影响材料的阻氚性能。

α-氧化铝被认为是聚变堆阻氚涂层的理想候选材料，课题组采用基于密度泛函的第一性原理计算方法，模拟氢在含有不同辐照点缺陷的α-氧化铝内部的溶解扩散行为，研究氢与辐照点缺陷的相互作用，探索氢的存在形式，揭示辐照点缺陷对其阻氚性能的影响机理。

氢-缺陷团簇的形成能随费米能级的变化曲线

研究发现，氢在α-氧化铝内部易被空位型点缺陷特别是铝空位捕获，从而以氢-空位团簇的形式存在，而氢-空位团簇在α-氧化铝内部很难扩散，因而孤立的空位型点缺陷可以在一定程度上提升α-氧化铝的阻氚性能。氧间隙原子也可以和氢结合形成OiH-，并以OiH-的形式进行扩散。由于OiH-的扩散能垒非常小，以致其在室温下就可以快速迁移。因此，氧间隙原子会削弱其阻氚性能。此外，研究还表明，在无辐照的情况下，氢在水环境下更容易渗透进入α-氧化铝，而在辐照条件下，氢在氢气环境下更容易渗透进入α-氧化铝。

该研究对于聚变堆阻氚涂层的设计、制备和服役评估具有重要参考价值。

（中科院合肥物质科学研究院）

上海高研院等实现纳米材料界面的原位精准原子级调控

表界面结构是决定纳米材料性能的关键因素，以负载型催化材料为例，金属颗粒与氧化物载体之间形成的界面在一些重要反应中起关键性作用，但如何调控这一活性界面，具有挑战性。金属颗粒在负载过程中与基底形成的界面具有随机性，目前，负载完成以后亦缺乏有效手段对界面进行“精修”，这使得精确调控颗粒与氧化物间的活性催化界面成了一个“不可能的任务”。

浙江大学、中国科学院上海高等研究院、丹麦科技大学的研究团队经过长期合作，利用环境透射电子显微镜的原位表征和第一性原理计算，对原子尺度下一氧化碳催化氧化过程中观察到的催化剂界面活性位点的可逆变化进行解析，理解了活性界面与反应环境之间的动态原位相关关系，提出并首次实现了界面活性位点的原子级别精准原位调控。相关研究成果发表在《科学》上，该研究对如何从机制出发，自下而上的实现材料、器件结构和功能的精准调控和设计具有重要意义。

负载在二氧化钛表面的金颗粒是将一氧化碳转化为二氧化碳的重要催化剂，也是工业催化研究中的常见组合。浙江大学依托原位环境电镜开展催化反应实验，通过原子层面的原位表征，首次发现两种现象：看到催化反应时金颗粒发生面内（外延）转动（约9.5°），首次通过可视化实验直观证明了活性位点位于界面；发现停止通入一氧化碳催化时，金颗粒转回到原来的位置。为了完全确认转动现象，实验团队从侧视与俯视两个角度，进行了精细审慎的表征。之所以如此慎重，是因为此次看到的催化剂旋转现象，通常被认为是不可能发生的现象：因为金颗粒和二氧化钛结合在一起时，形成了新的化学键，“焊接”牢固（有外延关系），即便是被高能量的电子束轰击，也岿然不动。

是什么让“不可能”成了“可能”？实验观察到的现象背后的机制是什么？这是否可以被利用来实现催化剂界面精确调控的梦想？上海高研院理论团队根据实验结果，猜测诱导颗粒转动的“元凶”是界面吸附的氧，并就此推测，进行了系列的第一性原理及纳米尺度热力学计算。结果显示，界面缺氧状态下的颗粒在与二氧化钛载体紧密结合的同时丧失了一定的吸氧能力，转动了一个小的角度之后的颗粒界面则能够提供多且好的吸附氧活性位点。为了能够更好地与吸附氧结合，适应高氧环境，颗粒转动由此发生。然而，在界面氧被活化与一氧化碳反应之后，颗粒又回到了原有位置，以便与载体紧密结合。

基于上述理论认识，研究人员进一步提出通过改变反应环境（更换气体环境与控制温度）以精确调控界面的设计思路，并最终在原位电镜实验中实现。

上海高研院博士朱倍恩指出：“固体晶体通常被认为是一种稳固的材料，对固体晶体材料的调控必须从其生长过程着手，一旦材料成型再进行调控，这是不容易的。就像乐高玩具，如果我们想要重塑其结构，必须进行拆解才能够再构。但近年来的原位研究显示，纳米固体晶体材料没有大家想的那么“硬”，而是更像橡皮泥一样具有较强的原位可塑性。”这些原位实验现象昭示了一种革命性的原位“智造”纳米材料的可能性，但这一切的前提是研究人员能够合理预测其变化。

近年来，上海高研院研究员高嶷团队致力于原位理论新模型“从0到1”的建设，通过发展一系列理论模型，论证了纳米材料从平衡结构到非平衡结构演化过程的可预测性（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）；在实验合作中，展现了理论模拟对原位实验现象从理解到设计所起到的重要作用（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），并分别于2018年和2020年在《化学研究报告》和《德国应用化学》发表综述，总结了该团队的理论模型及在实验中的广泛应用（Acc. Chem.Res. 2018, 51, 2739；Angew.Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2171）。在2020年初的《科学》上，研究人员合作利用原位环境电镜和基于第一性原理的热力学研究，证明了二氧化钛表面水分子结构在不同反应环境中的可逆变化，为理解氧化物表面在真实条件下的催化机制提供了原子尺度的基本认识（Science 2020, 367, 428）。该研究中，研究人员再次证明了利用反应环境原位精准调控材料功能表面与界面的可行性和广阔未来。

浙江大学博士袁文涛、上海高研院博士朱倍恩和浙江大学博士研究生方珂为论文的共同第一作者；浙江大学材料科学与工程学院/浙江大学电镜中心教授王勇、上海高研院研究员高嶷、丹麦科技大学教授Wagner和博士Hansen为论文的共同通讯作者；中科院院士、浙江大学教授张泽，浙江大学教授杨杭生和博士研究生欧阳，中科院上海应用物理研究所博士研究生李小艳参与了该研究。研究工作得到国家自然科学基金委、浙江省自然科学基金、教育部、中科院青年创新促进会、国家超级计算广州中心、上海超算中心、中国博士后基金、硅材料国家重点实验室的共同资助和支持。 （上海高等研究院）

上海海事大学科学家研发出新的绿色防腐蚀方法

上海海事大学海洋科学与工程学院刘涛课题组通过基因编辑的方法，首次在国际上提出利用海洋微生物诱导矿化抑制钢铁材料腐蚀的概念，并研发了一种新的绿色防腐蚀方法，其抑制腐蚀效果优于传统防腐蚀涂层，且具有自修复功能。相关研究成果近日以封面形式发表于《美国化学会—应用材料及界面》。

“海洋环境中的腐蚀问题是一个国际性难题，不仅会引起巨大的经济损失，还会给海洋工程的安全性造成难以预计的危害。传统防腐蚀方法大多依靠化学或电化学手段，成本高、过程烦琐且易对环境造成危害。”刘涛介绍。

刘涛课题组与中国科学院南海海洋研究所王晓雪团队合作研究发现，一种南海提取的非致病海洋细菌可在材料表面形成类似于贝壳的矿化膜，通过基因层面的调控，可赋予其优异的防腐蚀性能，其防腐性能甚至高于传统的防腐涂层。

同时，研究人员还发现钢铁材料中的某些成分，会影响这种矿化膜的生成。课题组与宝钢中央研究院团队合作，正在开发一种可以调控生物膜生长的新型耐蚀钢。这种耐蚀钢一方面可以经受南海苛刻环境的腐蚀，一方面又不会抑制钢铁表面珊瑚虫的附着生长，因此有望应用于南海岛礁建设和珊瑚礁的修复等领域。

（黄辛 吉娜）

中科院金属所等开发出高速列车关键构件疲劳寿命预测软件系统

高速列车关键构件服役可靠性是制约高速列车发展的核心因素之一，高速列车关键构件材料疲劳寿命预测与性能优化是亟待解决的关键问题。然而，材料疲劳性能优化多停留在依靠“试错”阶段，不仅费时费力，而且难以确保优化效果。尽管已有多种疲劳寿命预测软件，但是国内仍缺少同类商用软件。同时，我国高速列车关键构件服役安全评价缺少材料疲劳性能预测与优化理论支撑，相关国际标准复杂，评价方法难以在企业快速普及，性能数据及相关参数源于国外材料及工艺条件下获得，在我国出现“水土不服”的问题。

中国科学院金属研究所研究员张哲峰带领材料疲劳与断裂研究团队经过多年努力，发展出系列原创疲劳理论模型，为解决上述问题提供了关键理论支撑。近日，该团队研究员张鹏、副研究员白鑫与中车长春轨道客车有限公司高速列车系统集成国家工程实验室合作，针对高速列车转向架等关键构件材料，将这些原创理论模型与传统理论相结合，联合开发出“轨道客车常用材料和焊接结构疲劳分析平台”，并已完成所有软件调试与验收工作。该平台功能与国产高速列车材料及焊接结构开发需求契合，得到中车长客的支持和认可。

该团队博士刘睿、王斌，副研究员张振军、庞建超，与研究员张鹏，针对低周疲劳寿命、疲劳强度与疲劳裂纹扩展速率，提出系列疲劳性能预测与优化理论模型，作为解决材料疲劳性能大都依靠“试错”问题的关键理论，被首次集成于疲劳分析软件中。低周疲劳寿命方面，提出基于滞回能参数的低周疲劳寿命预测模型，建立起金属材料低周疲劳寿命与微观损伤机制之间的联系，并根据拉伸静力韧度与加工硬化速率等重要参数，实现了低周疲劳寿命定量预测；疲劳强度方面，基于大量疲劳强度实验结果和前人数据，提出高周疲劳强度预测模型，通过引入合金成分、微观组织及宏观缺陷等参量，实现了金属材料高周疲劳强度定量预测与优化；疲劳裂纹扩展速率方面，通过大量疲劳裂纹扩展实验与断裂力学理论分析，在经典Paris公式的基础上，通过引入强度因子和韧性因子，提出了疲劳裂纹扩展速率预测模型，通过等疲劳裂纹扩展速率线图解法快速预测和提高疲劳裂纹扩展寿命。此外，该平台还集成了团队成员提出的强度与硬度关系、断裂韧性-强度关系、断裂韧性尺寸效应模型、等效疲劳寿命方法（EQ）及蒙特卡洛概率疲劳强度方法（MS），为简化相关性能测试与分析提供了新的理论与方法。这些原创研究成果在A c t a Materialia、Physical Review B、Journal of Materials Science &Technology、Materials Science and Engineering: A、International Journal of Fatigue等期刊上发表论文10余篇，申请授权专利10余项。研究工作得到国家自然科学基金重点项目、汽车联合基金项目、面上项目，国家重点研发计划及中科院战略性先导科技专项的支持。

在疲劳理论创新的基础上，该团队副研究员白鑫集成了商用疲劳寿命分析软件方法，建立基于国产材料与焊接接头的组织与性能数据库，解决了商业疲劳分析软件与国产材料/焊接接头疲劳分析方法在平均应力修正、结构应力修正、疲劳强度修正的方法及参数差异问题，集成了相应的经典修正理论，建立了该软件平台的构件寿命预测模块。针对我国高速列车设计使用的焊接接头及母材评价标准涉及较多、使用复杂、学习成本高等问题，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等高速列车焊接接头及母材常用标准，使设计人员可以直接调用相关标准的程序模块进行计算，简化了高速列车焊接接头及母材评价流程，为高速列车关键构件可靠性设计提供了便利。

该平台目前已在中车长春轨道客车有限公司安装运行，双方将继续进行深入和全面合作，针对传统理论的不足，进一步完善该软件平台，使之更好地服务于高速列车关键构件的服役性能评价。通过发展，该软件平台未来有望进一步向航空、船舶、机械制造等重要领域关键构件推广应用。

（中科院金属研究所）

韩国自主研发成功半导体生产用涂层材料

韩国全南科技园陶瓷产业孵化中心扶持培育的阶梯式成长企业-世元热喷涂技术株式会社与韩国政策研究所共同自主研发成功半导体生产用涂层材料，可替代日产进口材料。

世元热喷涂技术株式会社作为专业的热喷涂生产企业，2012年入驻韩国全南科技园陶瓷产业孵化中心，配备并使用尖端的设备研发。2016年为全罗南道木浦为陶瓷产业园区投资50亿韩元(约1941万人民币)，成功量产极寒环境专用YSZ热喷涂材料，为最新开发的半导体专用Y2O3涂层材料量产投资30亿韩元(1765万人民币)。

此次开发的Y2O3(Yttrium Dioxide)涂层材料是适用于半导体生产流程设备的材料，是全部依赖日本进口的材料。

开发出的核心技术是将因范德华力(分子间作用力)形成的粉体凝聚，从等离子游离出的气体离子吸附于粉体表面，赋予粉体之间相互排斥的特性技术，使得细微(小)粉体不会凝聚，增强流动性。

以往的产品会因范德华力产生粉体凝聚现象，不能生产形成致密涂层膜的细微(小)粉体。

世元热喷涂技术株式会社独自研发出可以制造热喷涂材料的细微(小)粉体技术以后，开始与韩国国家核聚变研究所Hong Yongcheol博士团队共同研发解决以往涂层材料的最大问题——粉体凝聚，将开发出的涂层材料用于热喷涂，成功完成比以往更严密的涂层膜，并通过和获得了韩国多家涂层厂商的品质检验及信任。

近期，因日本的出口限制宣布了半导体材料国产化的三星电子将研发出的热喷图产品直接用于生产线，正在进行质量测试。为了保护核心技术，已经完成在美国、日本、韩国的专利申请。

世元热喷涂技术株式会社的研究所长Moon Heungsu表示：“通过国家技术研发事业与研究所的合作是可以实现技术开发及国产化”，“此次材料国产化确认了在其他领域使用涂层材料的可能性。”

韩国全南科技园Yoo Dongguk园长表示：“祝贺世元热喷涂技术株式会社成功国产化以前依赖日本进口的产品。”“韩国全南科技园为了最小化因日本出口限制导致的全罗南道中小企业损失，计划设立出口限制难关扶持中心，会将依赖进口产品国产化企业扶持政策尽快落实到实处。”