全国能源信息平台|“人造太阳”向终极能源再进一步大胆创新3D打印解决核心问题( 二 ) 【能源人都在看

为了让正硅酸锂粉体浆料经过3D打印出来后，能够迅速固化，就必须选择合适的固化成形方式。
“陶瓷3D打印有两种主要固化成形方式，一种光固化，另一种是粉末烧结或熔化。 ”陈张伟说，粉末烧结是用高能量激光直接对陶瓷粉末进行高温烧结，烧成所需的形状，但是因为温度比较高，容易产生开裂，而且精度可控性较差。而光固化不仅开裂缺陷较少，打印精度较高，同时对多孔结构细节具有很强的把控能力。
因此，科研团队选择了光固化的方式，并研发出一种光固化3D打印专用高相纯度正硅酸锂粉体浆料。
陈张伟介绍说：“我们在正硅酸锂粉体浆料中混合了经优选过的有机化学添加剂组分，以及小剂量的光敏添加剂，它对特定波长的光敏感，利用405纳米紫外光对浆料进行照射，可以实现浆料的光聚合固化。 ”
3D打印出来的结构件，再进行高温烧结，在1050摄氏度的环境中烧制8-10小时实现瓷化，就能去除固化结构中的各种添加剂，且不再跟环境中的水和二氧化碳发生反应， “这些化学添加剂是以物理方式添加进去的，不会对正硅酸锂造成破坏。 ”陈张伟解释说道。
采用这种方法打印出来的产氚单元是一体化无缺陷结构，经过测试，克服了球床填充率有限和应力集中引发的可靠性问题，其稳定性、力学性能比传统微球结构提升2倍。
3D打印出来的这种产氚单元的产氚效率也有望获得大大提升。传统的微球结构占空比最高为65% ，而3D打印可以根据需要在60%到90%之间灵活调整，正硅酸锂的比表面积也较微球结构得到大幅增加。
国际同行给予高度评价，认为提出的3D打印技术在核聚变核心陶瓷部件的制造与应用极具创新性。本研究在聚变堆应用方面极具前景，将为替代传统球床陶瓷产氚结构和推动托卡马克核核聚变反应技术商业化提供更多可能。
3D打印还能为聚变堆打什么
虽然人类距离可控核聚变还有很长的路要走，不过这并不妨碍我们向着可控核聚变不断努力。
3D打印作为一种新兴的先进制造方式，颠覆了传统制造模式。 3D打印技术可实现复杂结构一体化成形，具有制造周期短、材料利用率高等特点，是复杂构件制造的重要创新方法。在聚变反应堆中，也逐渐展现出独特的优势。
据陈张伟教授介绍，此前，深圳大学增材制造研究所已与中核集团核工业西南物理研究院合作，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钢兼具高强度与高塑性，其综合强韧性显著优于目前文献报道的RAFM钢。
这项研究为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。
另据媒体报道， 2018年，中科院合肥物质科学研究院已经利用3D打印技术实现聚变堆关键部件——包层第一壁样件的试制。
研究人员以CLAM钢为原材料，打印出来的部件样品尺寸精度符合设计要求，材料的致密度达到99.7% ，与传统方法制备的CLAM钢强度相当。同时，研究还发现3D打印的逐层熔化和定向凝固特性导致了不同方向上CLAM钢组织和性能的差异，这种差异未来可以通过扫描方案优化和熔池形核优化等方式有效降低甚至消除。该研究表明， 3D打印技术在聚变堆等先进核能系统复杂构件制造上具有良好的应用前景。
基础科学的日新月异和3D打印技术的不断变革与创新，使人类工程探索充满想象空间，未来聚变堆的各个零部件全是由3D打印制造出来的也不是没有可能。
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