《Journal of Alloys and Compounds》：Enhanced photocatalytic hydrogen evolution by simultaneously integrating Schottky and S-scheme heterojunctions on hollow spherical cadmium sulfide
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该研究开发了一种20公斤级可扩展的湿化学合成工艺制备W-Y?Zr?O?复合粉末，通过SPS烧结获得块体材料，微观结构显示钨晶粒约3μm，内部Y?Zr?O?纳米颗粒（200nm）和晶界颗粒（500nm）。拉伸测试表明在573-673K范围内存在DBTT，773K时断裂延伸率达11.7%；压缩测试显示屈服强度随温度升高而降低。分子动力学模拟揭示了纳米颗粒通过阻碍位错运动提升高温力学性能的机制，证实了Y?Zr?O?颗粒的分散稳定作用。研究为聚变堆等离子体-facing材料开发提供了新思路。
姚刚|刘学鹏|罗来马|陈洪宇|朱晓勇|刘家琴|吴宇成
内蒙古科技大学材料科学与工程学院，中国包头014010
摘要
本研究探讨了聚变反应堆中面向等离子体的部件所需的大规模材料。开发了一种可扩展的工艺，用于生产Y-Zr原子比为1:1的W-Y?Zr?O?复合粉末，实现了20公斤级别的批量生产。采用SPS（火花等离子烧结）技术制备了W-Y?Zr?O?块体复合材料。烧结后的复合材料中钨颗粒尺寸约为3微米，晶内第二相颗粒尺寸约为200纳米，晶界处第二相颗粒尺寸约为500纳米。通过分析确定第二相颗粒为Y?Zr?O?。在室温至773K的温度范围内进行的拉伸试验表明，该材料的动态断裂转变温度（DBTT）介于573K至673K之间，其中在773K时观察到最高的断裂伸长率（11.7%）。在同一温度范围内的压缩试验显示，屈服强度随温度升高而降低。拉伸模拟表明，晶内的Y?Zr?O?纳米颗粒可以通过阻碍位错运动来改变变形路径，这一原子尺度上的机制与实验观察到的颗粒分布和力学响应一致。压缩模拟同样表明，这些纳米颗粒可以限制位错活动，并有助于解释材料的温度依赖性强化趋势。这些发现为聚变反应堆用面向等离子体的钨材料的发展提供了宝贵的见解。
引言
聚变反应堆中的面向等离子体材料（PFMs）在极端的工作条件下运行，面临强烈的热流和高能粒子辐照，这对它们的热稳定性、机械强度和抗损伤能力提出了严格的要求[1]、[2]、[3]、[4]。由于钨具有高熔点、优异的热导率和低的溅射率，因此被广泛认为是最有前途的PFM候选材料。因此，开发能够在实验先进超导托卡马克（EAST）、中国聚变工程试验堆（CFETR）以及未来的稳态聚变反应堆中长时间运行的先进钨基材料仍是一个重要的材料挑战[5]、[6]、[7]。
然而，钨本身的脆性，特别是其较高的脆性-韧性转变温度（DBTT）和有限的断裂韧性，严重限制了其在聚变相关热和机械载荷条件下的结构可靠性[8]。通过引入稳定的第二相颗粒进行分散强化已被证明是一种有效的策略，可以缓解这些限制。氧化物分散强化钨（ODS-W）材料具有精细的晶粒结构、增强的位错钉扎能力以及改进的抗裂纹起始和扩展能力，从而降低了DBTT并提高了机械性能[8]、[9]。然而，使用单一成分的第二相进行掺杂通常存在固有局限性，包括颗粒在钨晶界处的聚集和粗化[10]。作者研究小组之前的研究表明，通过湿化学方法制备钨基复合粉末可以有效缓解这些问题。最近的研究结果进一步表明，将Zr掺入钨基粉末中可以促进Y?Zr?O?复合氧化物的原位形成。这些颗粒有效地稳定了Y?O?颗粒的大小，从而提高了钨材料的整体性能[11]。
在实际的聚变环境中，PFMs会同时承受稳态和瞬态热载荷，这会在加热和冷却循环过程中产生复杂的应力状态，包括交替的拉应力和压应力[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。因此，全面理解分散强化钨的温度依赖性拉伸和压缩行为对于评估其服役可靠性至关重要。尽管已经对ODS-W材料的力学性能进行了大量的实验研究，但仅使用传统的实验技术直接观察位错演变和背后的强化机制仍然具有挑战性[17]。分子动力学（MD）模拟为阐明原子尺度上的位错介导的变形机制提供了一种强大的补充方法，特别是在第二相增强的钨系统中。
我们小组之前的研究主要集中在实验室规模上氧化物掺杂钨材料的合成路线和微观结构优化[9]。相比之下，本研究在三个关键方面取得了进展。首先，开发了一种可扩展的湿化学合成路线，实现了20公斤级别的W-Y?Zr?O?复合粉末的批量生产，展示了具有工业相关性的可制造性。其次，使用大规模火花等离子烧结技术制备了W-Y?Zr?O?块体复合材料，并系统地研究了其在室温至773K宽温度范围内的拉伸和压缩行为，提供了在聚变相关条件下的实验相关机械数据。第三，采用原子级MD模拟明确地将第二相Y?Zr?O?颗粒的分布与拉伸和压缩载荷下的位错演变联系起来，为实验观察到的强度/韧性趋势提供了原子尺度的解释，而不仅仅是强化机制的独立证明。特别是选择Y?Zr?O?是因为其高相稳定性和可调的缺陷化学性质，这些性质有望有助于在整个测试温度范围内保持纳米颗粒的分布并维持位错/晶界钉扎效果。图1展示了整个研究工作的流程示意图。
部分内容摘要
复合粉末的大规模生产
在粉末合成过程中，使用了一个100升的双层玻璃反应器作为前驱体制备的反应容器。每批前驱体粉末的产量约为20公斤。首先，将六水合硝酸钇（Y(NO?)?·6H?O，Aladdin，纯度≥99.95%）和五水合硝酸锆（Zr(NO?)?·5H?O，Aladdin，纯度≥99.95%）溶解在373K的去离子水中。保持Y与Zr的摩尔比为1:1，以达到0.5%的总体掺杂水平。
原子间势能
原子间势能的选择对于确定MD模拟的准确性和可靠性至关重要。在MD模拟中，所采用的原子间势能应计算效率高，并能可靠地捕捉材料的关键物理性质。钨（W）中的原子间相互作用采用了Ackland和Thetford开发的Finnis-Sinclair势能模型进行描述。
粉末表征
图3(a-c)展示了20公斤批次生产的W-Y?Zr?O?复合粉末的表面形态、XRD图谱和相应的TEM图像。经过氢还原后，复合粉末呈现出典型的多边形形态。与我们研究小组之前合成的基于钨的复合粉末（平均颗粒尺寸约为300纳米[11]）相比，本批次制备的W-Y?Zr?O?粉末的钨颗粒尺寸分布更广。
结论
本研究采用湿化学合成方法大规模生产了W-Y?Zr?O?复合粉末，随后通过SPS烧结制备了W-Y?Zr?O?复合材料。系统地表征了复合粉末和烧结材料的微观结构，并研究了其在室温至773K温度范围内的拉伸和压缩行为。此外，还进行了MD模拟，以探讨
CRediT作者贡献声明
陈洪宇：监督、方法学、数据管理。姚刚：写作——审稿与编辑、撰写——初稿、监督、研究。罗来马：监督、方法学、研究。刘学鹏：方法学、研究。吴宇成：写作——审稿与编辑、监督、方法学。刘家琴：监督。朱晓勇：监督、研究。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（52501045, 12272118）、安徽省自然科学基金（2308085QE154）、国家重点研发计划（2022YFE03140001, 2022YFE03140004, 2022YFE03030003, 2019YFE03120002）、浙江省自然科学基金（LR25E040001）以及高等教育学科创新项目“清洁能源新材料与技术”（B18018）的支持。
