论文题目：Processing and Properties of Sintered W/Steel Composites for the First Wall of Future Fusion Reactor

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-4362/4/1/14

期刊名：Journal of Nuclear Engineering

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/jne

在聚变堆结构设计中，第一壁材料需同时应对高热流密度、强中子辐照及快速热循环，因此必须具备高温稳定性、高热导率与良好机械性能。钨因高熔点与抗溅射性能常用于面对等离子体的一侧，而其背后的承力结构多由钢组成。但两者热膨胀差异较大，直接连接易产生热应力。为此，研究人员提出使用功能梯度材料（FGM）在钨与钢之间构建过渡结构，以提升整体可靠性。

德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）与波鸿鲁尔大学（Ruhr-Universität Bochum）等团队在 Journal of Nuclear Engineering 发表研究，利用场辅助烧结技术（FAST/SPS）制备多种钨含量的 W/Steel 复合材料，以评估其作为未来聚变堆第一壁候选材料的可行性。

研究过程与结果

研究团队以球形钨粉和钢粉为原料，通过手工混料避免片层化，再采用 FAST/SPS 在短时间内完成烧结，制备了三种钨含量分别为 25%、50% 和 75% 的复合材料。烧结温度为 1000°C，并施加高压以提高致密度。

微观结构分析

•25% 和 50% 的钨复合材料致密度均接近 99%，结构均匀；

•75% 的钨材料仍能达到约 96% 的致密度，但局部出现轻微钨–钨未结合区域；

•钢与钨之间的金属间化合物（IMC）被有效抑制，界面区域极薄，有助改善材料整体韧性。

如下图显示 25% W 材料结构致密、界面结合良好：

25 W 复合材料的截面 SEM 图

力学性能方面

•25% W 材料在 300°C 条件下表现出良好延展性；

•50% 与 75% W 材料需在更高温度（>550°C）下才能充分塑性化；

•随钨含量升高，材料强度略下降，但高温下仍保持稳定。

热物性测试

测得材料的热膨胀系数、热导率和比热容均符合预测趋势，且随钨含量增加热膨胀减小，使其作为梯度过渡层更加合理，有助降低界面热应力。

研究总结

本研究证明 FAST/SPS 技术可在短时间内制备高致密度的 W/Steel 复合材料，并显著抑制不利的金属间化合物生成。所得到的 25%、50%、75% 三个梯度层材料具有适合聚变堆第一壁应用的力学和热性能，可为未来 FGM 结构提供可靠设计依据。

未来研究将聚焦于：

•进一步提升高钨含量材料的致密度；

•制备更大尺度的梯度结构材料；

•在模拟聚变堆环境中测试其抗热冲击与抗辐照能力。

该成果为未来 DEMO 级聚变堆第一壁材料的发展提供了重要支持，也展示了 FAST/SPS 在高性能核材料制备中的巨大潜力。

Journal of Nuclear Engineering期刊介绍

主编：Dan Gabriel Cacuci，University of South Carolina， USA

期刊创刊于2020年, 最新Impact Factor 1.2，CiteScore 2.6，是一个国际开放获取期刊，发表同行评审的论文。期刊涵盖了与核和辐射过程的科学和应用相关的原创研究、想法和进展。发文类型包括original research papers, reviews, communications, brief reports, opinions, technical notes, editorials等。截至目前，Journal of Nuclear Engineering期刊已被Scopus, ESCI (Web of Science), EBSCO等数据库收录。