3D打印人造太陽？深圳大學&核工業(yè)西南物理研究院獲重要進展

文章來源： 材料科學與工程

近日，深圳大學增材制造研究所與核工業(yè)西南物理研究院合作，在知名SCI期刊《Additive Manufacturing》（影響因子7.17，中科院1區(qū)，TOP期刊，制造工程類JCR排名第一）發(fā)表題為《3D printing of ceramic cellularstructures for potential nuclear fusion application》的論文。首次提出并報道了基于3D打印一體化自由設計和成形復雜多孔結(jié)構(gòu)正硅酸鋰陶瓷件，有望替代傳統(tǒng)的微球床結(jié)構(gòu)，作為聚變堆的氚增殖陶瓷單元，具有重要應用前景。該論文為深圳大學首次在《Additive Manufacturing》期刊發(fā)表的論文。

人類社會當前能源資源匱乏且化石能源環(huán)境污染和溫室效應加劇，可再生能源發(fā)展成為研究熱點。被譽為“人造太陽”和“人類終極能源”的可控核聚變的商業(yè)化將能有效緩解上述需求。作為磁約束聚變堆的一個重要組件，固態(tài)產(chǎn)氚包層是聚變能商業(yè)化應用前需要解決的核心問題之一。作為包層首選氚增殖劑材料，正硅酸鋰(Li4SiO4)產(chǎn)氚單元的加工制造為包層技術(shù)的實現(xiàn)提供基礎（通俗點說就是，“人造太陽”是由氫元素的同位素氘和氚在高溫高壓條件下產(chǎn)生核聚變反應并生成大量熱能用于發(fā)電。氘可由海水提取產(chǎn)量豐富，而氚幾乎不存在于自然界，需要靠氦與鋰陶瓷不斷催化反應生成，產(chǎn)氚單元就提供了這個重要核心功能）。傳統(tǒng)的鋰陶瓷產(chǎn)氚單元一般為微球堆積的球床結(jié)構(gòu)，填充率有限，且微球堆積產(chǎn)生的應力集中易造成形變開裂等破壞，成為球床結(jié)構(gòu)和性能均勻穩(wěn)定性的掣肘。

圖1 聚變堆球床結(jié)構(gòu)、及其應力集中與缺陷問題

針對上述問題，深圳大學增材制造研究所團隊與核工業(yè)西南物理研究院聯(lián)合提出了3D打印正硅酸鋰陶瓷單元方法，研發(fā)光固化3D打印專用高相純度正硅酸鋰粉體。由于該粉體具有較強的物理化學活性，因此增材制造所在陶瓷漿料配制過程中研究采取特殊處理工藝，并設計打印制造出了一體化無缺陷結(jié)構(gòu)，獲得了比傳統(tǒng)球床結(jié)構(gòu)更優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與力學性能，且擁有可調(diào)控填充比，不僅克服了球床填充率有限和應力集中引發(fā)的可靠性問題，還有望實現(xiàn)產(chǎn)氚效率的大幅提升。本研究將為替代傳統(tǒng)球床陶瓷產(chǎn)氚結(jié)構(gòu)提供可能，在聚變堆應用方面極具前景。

圖2 保證相純度的正硅酸鋰陶瓷漿料特殊配制工藝

圖3 光固化3D打印部分正硅酸鋰陶瓷產(chǎn)氚單元展示及其優(yōu)異力學性能

投稿過程中國際同行審稿人給予高度評價，認為本文提出的光固化3D打印在核聚變陶瓷部件的制造與應用極具創(chuàng)新性。論文第一作者為陳張偉教授指導的研究生劉雨，陳張偉教授為通訊作者，深圳大學為第一完成和通訊單位。研究獲得了國家自然科學基金委面上項目、廣東省科技廳激光與增材制造重大專項、廣東省自然科學基金面上項目、深圳市科創(chuàng)委基礎研究面上項目、孔雀技術(shù)創(chuàng)新項目等基金的大力支持。

據(jù)悉，此前增材制造研究所已圍繞聚變堆第一壁CLF-1鋼構(gòu)件的SLM工藝及其組織性能調(diào)控開展了系統(tǒng)工作，首次將非均質(zhì)雙/多模組織設計思路引入到SLM成形高強韌RAFM鋼的開發(fā)，基于SLM工藝參數(shù)和掃描策略的優(yōu)化，SLM成形CLF-1鋼兼具高強度（屈服強度1053 MPa）與高塑性（延伸率16.9%），其綜合強韌性顯著優(yōu)于目前文獻報道的RAFM鋼。通過對比研究S209和S98的微觀組織和力學性能，揭示了SLM成形CLF-1鋼的強韌化機理，其高強度取決于細晶和細小馬氏體片層，高塑性得益于這種雙/多模組織對位錯主導的加工硬化能力的改善。該工作為3D打印高強韌RAFM鋼的結(jié)構(gòu)設計提供重要理論依據(jù)和技術(shù)指導，促進聚變堆關(guān)鍵部件組織性能可控的一體化成型。相關(guān)研究成果發(fā)表于國際知名學術(shù)期刊Materials Research Letters (IF:7.440)。