Adv. Mater.：优异导热性和抗辐照性钨/石墨烯多层结构薄膜材料的制备和研究

【引语】

2016年11月16日，Adv. Mater.网站在线发表了题为“Significant Radiation Tolerance and Moderate Reduction in Thermal Transport of a Tungsten Nanofilm by Inserting Monolayer Graphene”的文章。该文章的第一作者为来自武汉大学的Shuyao Si，通讯作者为武汉大学的肖湘衡教授和美国爱荷华州立大学的王信伟教授。在这篇快讯（Communication）文章中，研究人员报道了一种采用堆积法制备得到钨(W)-石墨烯多层复合材料，该钨-石墨烯纳米复合材料结合了单层石墨烯优良的导热性能和钨具有较低的辐照膨胀特点，可有效转移核热从而有效减缓辐射损伤。

【成果简介】

核聚变能被认为是未来实现生产绿色清洁低碳能源的最有前景的选择之一。对聚变堆中的辐照环境而言，结构材料如第一壁/包层材料的辐照损伤主要表现在两个方面:一方面是高能中子辐射；另一方面是由核演变过程中产生的大量高能量的氦离子会快速形成大量的氦气气泡，这些氦气气泡会促进材料的脆化和膨胀，甚至破裂。另外在核反应过程中，如果热量不能持续地从反应核中转移，染料包壳将受到重大的破坏并引起不可估量的后果。含有大量界面和晶界的双金属纳米多层膜材料可以大幅度减少辐照引起的损伤被广泛研究和认可，但是这种多层膜的设计使材料的热学性能出现了断崖式的下降，因此，面对高温、高辐照的核反应环境，研发一种兼顾良好导热性能和抗辐照性能的核材料成为当务之急。为了解决这些问题，本文中的研究人员设计了一种钨和石墨烯的多层复合薄膜结构。这种钨-石墨烯多层复合材料的结构通过引入单层石墨烯，不仅可以使钨纳米薄膜顺利导出热量，而且这种结构也可以有效地减少由于核辐照引起的巨大损伤。

【图文导读】

图1：钨-石墨烯多层复合材料的制备以及氦离子的注射过程

图1为钨-石墨烯多层复合材料的制备以及氦离子的注射过程图，左下侧的为50keV He⁺离子辐照周期厚度为15nm的W₁₅/G纳米膜的TEM图

图2：热阻力实验测试装置

(a) 热阻力测试实验装置的示意图。
(b) 一维多层热传递试样模型示意图。

 图3：抗辐照性能研究

(a) 同一实验条件下，模拟He⁺离子辐照W₁₅/W膜后He（左）离子浓度或DPA（右）的变化。
(b)-(e) TEM图:离子注入前W₁₅/G (b),辐照后的W₁₅/G (c)，离子注入前W₁₅/W (d), 辐照后的W₁₅/W (e)。图(c)和(e)均选自图(a)中的矩形区域。
图4：不同厚度的复合膜形貌研究

(a)-(c) He⁺离子注入前的截面TEM图：W₁₅/G (a),W₃₀/G (b),W₄₀/G (c)。
(d)-(f) He⁺离子高浓度分布区的截面TEM图：W₁₅/G (d),W₃₀/G (e),W₄₀/G (f)。
(g)-(i) 高浓度分布区的截面高倍率TEM图：W₁₅/G (d),W₃₀/G (e),W₄₀/G (f)，黑色虚线代表的是He⁺离子在膜表面下方的位置。
图5：W膜的抗辐照性能研究

(a) 同一实验条件下，模拟He⁺离子辐照周期厚度为15nm的多层膜后He（左）离子浓度或DPA（右）的变化。
(b)-(c) TEM图:离子注入前的W膜(b)，50keV He⁺离子辐照后的纯W膜(c)，黑色虚线代表的是He⁺离子在膜表面下方的位置。
(d)-(g) 不同区域的高倍率TEM图，对应图(a)中标记的部分。

【小结】
综上所述，研究人员结合单层石墨烯优良的导热性能和钨具有较低的辐照肿胀特点，设计了钨和石墨烯的多层薄膜结构。钨和石墨烯的多层薄膜的周期厚度可达到15-40nm。通过光热测量技术测得金属钨与单层石墨烯之间的界面接触热阻在1.8×10^-8 K m² W^-1数量级，表明在石墨烯的嵌入下，多层钨的热学性质没有较大的降低，其层间匹配程度很好,不会阻碍热量的传导。更重要的是，该结构具有明显的抗辐照性能。这种新型抗辐照材料，为核反应堆内结构材料的选取、改良和升级提供了一种重要的方法和思路。

文献链接：Significant Radiation Tolerance and Moderate Reduction in Thermal Transport of a Tungsten Nanofilm by Inserting Monolayer Graphene （Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201604623）

该文献汇总由材料人编辑部纳米学术组王畅供稿，材料牛编辑整理。

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