3D打印人造太阳？深圳大学&核工业西南物理研究院获重要进展

文章来源： 材料科学与工程

近日，深圳大学增材制造研究所与核工业西南物理研究院合作，在知名SCI期刊《Additive Manufacturing》（影响因子7.17，中科院1区，TOP期刊，制造工程类JCR排名第一）发表题为《3D printing of ceramic cellularstructures for potential nuclear fusion application》的论文。首次提出并报道了基于3D打印一体化自由设计和成形复杂多孔结构正硅酸锂陶瓷件，有望替代传统的微球床结构，作为聚变堆的氚增殖陶瓷单元，具有重要应用前景。该论文为深圳大学首次在《Additive Manufacturing》期刊发表的论文。

人类社会当前能源资源匮乏且化石能源环境污染和温室效应加剧，可再生能源发展成为研究热点。被誉为“人造太阳”和“人类终极能源”的可控核聚变的商业化将能有效缓解上述需求。作为磁约束聚变堆的一个重要组件，固态产氚包层是聚变能商业化应用前需要解决的核心问题之一。作为包层首选氚增殖剂材料，正硅酸锂(Li4SiO4)产氚单元的加工制造为包层技术的实现提供基础（通俗点说就是，“人造太阳”是由氢元素的同位素氘和氚在高温高压条件下产生核聚变反应并生成大量热能用于发电。氘可由海水提取产量丰富，而氚几乎不存在于自然界，需要靠氦与锂陶瓷不断催化反应生成，产氚单元就提供了这个重要核心功能）。传统的锂陶瓷产氚单元一般为微球堆积的球床结构，填充率有限，且微球堆积产生的应力集中易造成形变开裂等破坏，成为球床结构和性能均匀稳定性的掣肘。

图1 聚变堆球床结构、及其应力集中与缺陷问题

针对上述问题，深圳大学增材制造研究所团队与核工业西南物理研究院联合提出了3D打印正硅酸锂陶瓷单元方法，研发光固化3D打印专用高相纯度正硅酸锂粉体。由于该粉体具有较强的物理化学活性，因此增材制造所在陶瓷浆料配制过程中研究采取特殊处理工艺，并设计打印制造出了一体化无缺陷结构，获得了比传统球床结构更优异的结构稳定性与力学性能，且拥有可调控填充比，不仅克服了球床填充率有限和应力集中引发的可靠性问题，还有望实现产氚效率的大幅提升。本研究将为替代传统球床陶瓷产氚结构提供可能，在聚变堆应用方面极具前景。

图2 保证相纯度的正硅酸锂陶瓷浆料特殊配制工艺

图3 光固化3D打印部分正硅酸锂陶瓷产氚单元展示及其优异力学性能

投稿过程中国际同行审稿人给予高度评价，认为本文提出的光固化3D打印在核聚变陶瓷部件的制造与应用极具创新性。论文第一作者为陈张伟教授指导的研究生刘雨，陈张伟教授为通讯作者，深圳大学为第一完成和通讯单位。研究获得了国家自然科学基金委面上项目、广东省科技厅激光与增材制造重大专项、广东省自然科学基金面上项目、深圳市科创委基础研究面上项目、孔雀技术创新项目等基金的大力支持。

据悉，此前增材制造研究所已围绕聚变堆第一壁CLF-1钢构件的SLM工艺及其组织性能调控开展了系统工作，首次将非均质双/多模组织设计思路引入到SLM成形高强韧RAFM钢的开发，基于SLM工艺参数和扫描策略的优化，SLM成形CLF-1钢兼具高强度（屈服强度1053 MPa）与高塑性（延伸率16.9%），其综合强韧性显著优于目前文献报道的RAFM钢。通过对比研究S209和S98的微观组织和力学性能，揭示了SLM成形CLF-1钢的强韧化机理，其高强度取决于细晶和细小马氏体片层，高塑性得益于这种双/多模组织对位错主导的加工硬化能力的改善。该工作为3D打印高强韧RAFM钢的结构设计提供重要理论依据和技术指导，促进聚变堆关键部件组织性能可控的一体化成型。相关研究成果发表于国际知名学术期刊Materials Research Letters (IF:7.440)。