重磅突破！西工大凝固技術(shù)全國重點實驗室成功制備米級高純鎢單晶

近日，西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)全國重點實驗室高純材料與單晶生長團(tuán)隊取得重大科研突破，成功制備出長度達(dá)1米、取向可控的高純鎢單晶，意味著相關(guān)技術(shù)在高端難熔金屬材料領(lǐng)域邁出了重要一步。

研究背景

金屬鎢是熔點最高的純金屬，高達(dá)3422℃，兼具優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機(jī)械強(qiáng)度，在高溫、高壓等極端環(huán)境下性能突出，是制造高端掃描電子顯微鏡場發(fā)射電子源的關(guān)鍵材料。然而，高性能鎢單晶長期被美國等發(fā)達(dá)國家壟斷，成為制約我國高端科學(xué)儀器發(fā)展的“卡脖子”難題，實現(xiàn)國產(chǎn)替代刻不容緩。但是，制備高質(zhì)量鎢單晶并非易事。一方面，鎢的極高熔點對熔煉設(shè)備提出嚴(yán)苛要求；另一方面，晶體取向的精確控制需精準(zhǔn)調(diào)控溫度梯度、真空度及熔體流動等多重參數(shù)。此外，鎢在高溫下易與氧氣反應(yīng)生成氧化物，進(jìn)一步增加了制備難度。

研究成果

面對挑戰(zhàn)，凝固技術(shù)全國重點實驗室李雙明教授帶領(lǐng)團(tuán)隊歷經(jīng)二十余年的持續(xù)攻關(guān)，不斷優(yōu)化凝固工藝，最終實現(xiàn)了高純鎢單晶的穩(wěn)定制備。團(tuán)隊成功開發(fā)出面向場發(fā)射電子源特殊需求的〈100〉及〈310〉取向鎢單晶，推動該材料從實驗室研究邁向?qū)嶋H應(yīng)用。目前，團(tuán)隊已完成從特種生長設(shè)備研制、單晶制備到高精度單晶鎢針加工的全流程技術(shù)構(gòu)建，所制備鎢單晶純度高達(dá)99.9995%（5N級），單次生長長度突破1米，并已初步供應(yīng)國產(chǎn)電鏡企業(yè)及多家科研單位，獲得積極反饋。圖1展示了團(tuán)隊制備的鎢單晶樣品及取向表征，圖２為鎢單晶制備成的場發(fā)射電子源。

圖1：(a) 米級長度鎢單晶；(b) 鎢單晶放大圖；(c)〈100〉取向；(d)〈310〉取向鎢單晶EBSD表征

圖２：所制備鎢單晶制成的場發(fā)射電子源（針尖制作單位：瞬景科技）

該技術(shù)的突破也為其他難熔金屬與合金的高純單晶制備開辟了新路徑。團(tuán)隊通過工藝調(diào)整，已成功實現(xiàn)鈮（Nb）、鉬（Mo）、鎳（Ni）等多種金屬單晶的可控制備。這些單晶材料在高端靶材、襯底及導(dǎo)熱元件等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。圖３展示了團(tuán)隊生長的多種金屬單晶材料。

圖３：生長的幾種單晶材料 (a) 單晶鈮；(b) 單晶鎳；(c) 單晶鉬

展望未來

未來，團(tuán)隊將繼續(xù)聚焦高純單晶材料的生長與性能優(yōu)化，緊密圍繞國家重大戰(zhàn)略需求，推動新材料產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，努力突破國外技術(shù)封鎖，為實現(xiàn)關(guān)鍵材料自主可控、服務(wù)國家“十五五”科技發(fā)展、培育新質(zhì)生產(chǎn)力貢獻(xiàn)力量。

團(tuán)隊介紹

高純材料與單晶生長團(tuán)隊依托西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)全國重點實驗室，現(xiàn)有教師三人，碩/博士研究生二十余人。團(tuán)隊負(fù)責(zé)人李雙明教授，博士生導(dǎo)師，長期致力于金屬凝固理論、單晶生長以及熱電合金材料等方向的理論研究和應(yīng)用開發(fā)工作。入選教育部新世紀(jì)人才項目，主持多項國家自然科學(xué)基金項目，以第一/通訊作者在Nat Commun, AEM, AFM, Acta Mater, Scripta Mater, MSEA, MMTA等刊物發(fā)表論文100余篇。研究方向主要包括高純和難熔金屬單晶生長、新型凝固技術(shù)與復(fù)雜合金凝固組織控制，熱電材料與器件等。

本文來自“材料科學(xué)與工程”公眾號，感謝作者團(tuán)隊支持。