第三百五十一章材料不夠,石墨烯來湊

大國院士 第三百五十一章材料不夠,石墨烯來湊

遇事不決，量子力學，腦洞不夠，平行宇宙。

這是網絡上很熱門的一句話，意思是遇到解決不了的事情或者疑問時，說是“量子力學”就行了。

而在材料界，其實也有一句這樣的話語。

材料不夠，石墨烯來湊。

石墨烯，被材料界的人稱作‘全能材料’。

它是一種由碳原子緊密堆積成單層的‘二維蜂窩狀晶格結構’的碳材料，具有優異的光學、電學、力學特性。在材料學、微納加工、能源、生物醫學、藥物傳遞等幾乎大部分應用領域都具有適應性和重要的應用前景。

這是一種火出圈的材料，很多普通人都知道。

當然，石墨烯材料的性能之強大，也讓人咋舌。

它的強度硬度甚至超過了鉆石，能達到優質鋼材的百倍一塊用它制成的一厘米厚板材，能夠讓一頭五噸重的成年大象穩穩站在上面而不會塌陷折斷。

再比如在透光性方面，普通玻璃的透光率只有89左右，而石墨烯的透光率可以達到97.7，所以肉眼下它幾乎是透明的。

而如果用石墨烯制造手機電腦的電池屏幕，屏幕幾乎可以隨意折疊，甚至折成豆腐塊放進口袋里都不影響它的性能。

在導電導熱方面，目前也還沒有什么傳統材料可以超過石墨烯。

此外，石墨烯材料同樣是目前也是超導研究領域的一大方向。

2018年的時候，米國麻省理工學的曹原和他的導師，麻省理工學院的物理學家巴勃羅·賈里洛·埃雷羅為代表的研究人員在Nature雜志上發表論文，展示了團隊在石墨烯上的研究成果。

當兩片石墨烯重疊轉角接近1.1°時，能帶結構會接近于一個零色散的能帶，導致這個能帶在被半填充時會轉變成一個莫特絕緣體。

而這種對堆疊的石墨烯進行旋轉和充電后具有的超導性。

再加之石墨烯具有極高遷移率的電子，使其擁有可以像超導體中實現兩兩配對電子的可能，使其成為了研究高溫超導，甚至常溫超導的未來材料之一。

不過要想在石墨烯上突破常溫超導，難度很大。

哪怕是在十幾年后，徐川也沒聽說過哪個國家能制造石墨烯高溫超導材料，高溫石墨烯超導依舊處于實驗室探索中，至于常溫超導，就更別提了。

當然，石墨烯超導材料的潛力非常巨大。

一方面在于石墨烯這種二維材料，只要找到了方法，就可以像橡皮泥一樣任意捏造，圓的方的長的扁的線條空心都可以。

另一邊方面，就在于石墨烯材料的電流載荷能力了。

超導材料與超導材料之間亦是有區別的。

電流載荷能力越強，能提供的磁場和各種性能就越強。

而在這方面，石墨烯擁有著巨大的潛力。

這種極品材料，限制它應用的唯一原因就是工業化生產實在太困難了。

目前來說，還找不到一種能大量、穩定產出高質量石墨烯的方法。

不過對于現在來說，徐川要的并不是石墨烯材料的超導能力，他只需要石墨烯優異的物理性能來輔助提升高溫銅碳銀復合超導材料的韌性。

至于目前石墨烯無法大批量生產的問題，那并不是他需要頭疼的問題。

如果是應用在超導材料上，小批量的制造也足夠了。

如何削減成本、如何產品化、如何從中牟利，那都是工業界和商業界需要去考慮的，和他這個學者沒什么太大的關系。

相對比張平祥院士所說的的摻雜氧化鋯原子來說，徐川更看好通過石墨烯材料作為晶須（纖維）增韌材料來彌補高溫銅碳銀復合材料的韌性。

因為對于一種超導材料來說，如果材料間晶構破裂，是會導致超導能隙出現缺口的，而超導能隙出現缺口，則會導致各方面的超導性能都急劇降低。

但晶須（纖維）增韌技術的核心其實要歸根于材料的化學鍵上面去。

眾所周知，絕大部分的金屬材料都很容易產生塑性變形，其原因是金屬鍵沒有方向性。

而在陶瓷這類材料中，原子間的結合鍵為共價鍵和離子鍵，共價鍵有明顯的方向性和飽和性。

在這種情況下，離子鍵的同號離子接近時斥力很大，所以主要由離子晶體和共價晶體組成的陶瓷，滑移系很少，一般在產生滑移以前就發生斷裂。（高中知識，別再說看不懂了！）

這就是室溫下陶瓷材料脆性的根本原因，而高溫銅碳銀復合超導材料的性質和陶瓷材料很類似。

但晶須（纖維）增韌技術能很好彌補這一點，當晶須或纖維在拔出和斷裂時，都要消耗一定的能量，有利于阻止裂紋的擴展，提高材料斷裂韌性。

簡單的來理解，就是當你要掰斷一根筷子的時候，在筷子上有一層薄膜，這層薄膜能吸收來自你手臂的力量，從而保持內部筷子的形狀。

當然，使用石墨烯來進行晶須（纖維）增韌的具體情況會更復雜。

因為石墨烯和高溫銅碳銀復合超導材料的結合并不是簡單的混合在一起的，它更像是一種復合材料，通過極薄的界面有機地結合在一起。

這種情況下，石墨烯中的化學鍵是有可能會取代銅碳銀復合材料中的摻雜的碳原子鍵的。

徐川之所以選擇使用石墨烯來當做增韌材料，也是因為考慮到了這點。

石墨烯是純凈的單層，‘二維蜂窩狀晶格結構’的碳材料，它與銅碳銀材料界面的有機結合并不會改變高溫銅碳銀復合超導材料的成分。

所以從理論上來說，通過石墨烯來進行晶須（纖維）增韌還是有可能達到目的。

至于具體是否能做到，那就要看實驗的結果了。

川海材料實驗室中，徐川和張平祥各種從自己看好的方向出發，研究著解決高溫銅碳銀復合超導材料韌性不夠的問題。

另一邊，之前離去準備國內可控核聚變實驗堆參數信息的高弘明回來了。

不僅帶來了國內各大可控核聚變研究所中實驗堆的詳細參數，也帶來了國內有資格，有能力生產高溫銅碳銀復合超導材料的廠商名單。

徐川先看的，是國內各大可控核聚變研究所中實驗堆的詳細參數。

這關系到等離子體湍流控制模型的實測。

辦公室中，徐川翻閱著高弘明帶來的資料。

寬松的一點來算，目前國內有十幾個可控核聚變研究所，但聚變堆只有十一個。

這一聽數量的確挺多的，但實際上這十一個聚變堆大部分都只是實驗堆甚至是裝置堆而已。

所謂的實驗堆，指的是能夠滿足等離子體實驗最基本實驗需求的實驗裝置。

而裝置堆，就更不用多說，它連一次點火實驗都沒法做。

在高弘明帶來的資料中，目前國內有能力做點火運行實驗的聚變堆，只有兩個。

分別是科學院等離子體物理研究所的磁約束聚變托卡馬克裝置‘EAST’和工九院的慣性約束聚變裝置‘神光’。

而慣性約束的手段，和磁約束完全不同。

磁約束可以理解為讓高溫等離子體在設備中流動聚變形成高溫。

而慣性約束則是利用物質的慣性，把幾毫克的氘和氚的混合氣體或固體，裝入直徑約幾毫米的小球內。

再從外面均勻射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸發，受它的反作用，球面內層向內擠壓形成高溫環境，讓這幾毫克的的氘和氚的混合氣體爆炸，產生大量熱能。

如果每秒鐘發生三四次這樣的爆炸并且連續不斷地進行下去，那么所釋放出的能量就相當于百萬千瓦級的發電站。

簡單的來說，慣性約束類似于氫彈爆炸，然后從爆炸能量中吸取熱能發電。

只不過是規模更小，可控性更高的那種。

這種手段，對于徐川研究的等離子體湍流控制模型來說沒有什么意義，因為聚變方式都截然不同。

所以在排除掉工九院的慣性約束聚變裝置‘神光’后，他能選擇的實驗堆，就只剩下了‘EAST’磁約束聚變托卡馬克裝置。

‘EAST’磁約束聚變托卡馬克裝置，又叫做全超導托卡馬克核聚變實驗裝置，它曾在16年和18年分別創造了五千多萬度和一億攝氏度等離子體運行實驗。

在17年的時候創紀錄地實現了穩定的101.2秒穩態長脈沖高約束等離子體運行。

在國內，它是可控核聚變領域當之無愧龍頭老大，哪怕是放到世界上，也是最頂尖那一批的實驗堆。

不過除了‘EAST’外，其他的聚變裝置就有些差強人意了。

徐川也沒想到，在19年底的時候，國內的可控核聚變領域還是這幅樣子。

的確，從技術上來說，在可控核聚變這條路線上，國內已經是頂尖的那一批了，各項技術整體上來說還是相當不錯的。

但是在實驗堆這一塊，也的確有些稀少。

除了‘EAST’磁約束聚變托卡馬克裝置外，在目前竟然沒有其他的實驗堆能做點火實驗。

后世出名的科大一環KTX聚變堆、環流器二號HL2A和HL2M實驗堆等設備，在目前基本都還處于在建未完工狀態。

哪怕是完工時間最近的環流器二號，也需要等到20年的下旬去了。

而且即便是完工了，它也沒能力立刻就展開點火實驗。至少還需要一到兩年的時間走完各種測試，經歷至少兩道三輪以上的點火實驗后，才可能對等離子體湍流模型進行測試。

這種局面，讓徐川無奈的苦笑了一下。

現在看來，他根本就沒有選擇。

唯一慶幸的是，‘EAST’磁約束聚變托卡馬克裝置的各項參數都相當優異。

EAST裝置的主機部分高11米，直徑8米，重400噸，由超高真空室、縱場線圈、極向場線圈、內外冷屏、外真空杜瓦、支撐系統等六大部件組成。

擁有16個大型“D”形超導縱場磁體，能產生縱場磁場強度3.5T；12個大型極向場超導磁體可以提供磁通變化ΔФ≥10伏秒；通過這些極向場超導磁體，將能產生≥100萬安培的等離子體電流；持續時間能達到1000秒以上，在高功率加熱下溫度將超過一億度

這一系列的參數，哪怕是放到全世界，也是相當優秀的。

優秀的設備，再配合等離子體湍流數學模型，哪怕僅僅是唯像級別的模型，徐川也有信心打破當前托卡馬克裝置運行最長時間的記錄。

甚至追逐一下仿星器的運行時間記錄也不是不可能的事情。

看完手中資料后，徐川輕輕的搖了搖頭，嘆道：“沒想到國內可控核聚變的發展是這樣的。”

沙發上，高弘明身體前傾緊張的詢問道：“沒有符合要求的嗎？”

徐川點了點頭，又搖了搖頭，道：“符合要求的有，不過只有一個，廬陽那邊的EAST裝置從數據來看符合要求，至于其他的，都不行。”

聞言，高弘明倒是稍微松了口氣，笑道：“能有符合要求的就行，EAST裝置的領導人是諶明繼院士，他也是咱們國家對接ITER國際聚變工程的負責人，我這邊后續會去和諶院士溝通交流一下的。”

徐川點了點頭，思忖了一下后說道：“這件事本來應該我親自去一趟的，但最近我在和張平祥院士一起研究如何優化高溫銅碳銀復合超導材料，實在脫不開身。”

“這樣吧，我請彭鴻禧院士跟著你一起過去一趟，也顯得更重視一些。畢竟要使用人家的設備，還需要修改控制模型，對于可控核聚變來說，也是一件挺大的事情了。”

高弘明笑著點了點頭，道：“沒關系，您先忙您的研究，相信諶院士會理解的。”

頓了頓，他接著道：“對了，關于您之前和秦蔀長那邊交流的有關于高溫銅碳銀復合超導材料生產的工作，我這邊將有資格有能力生產的廠商資料也順帶一起帶過來了，您先看看？”

徐川點了點頭，從高弘明手中接過資料，正要翻看，他想了想又開口道：“對了，我剛剛看資料，‘EAST’磁約束聚變托卡馬克裝置使用的還是鈮鈦合金作為超導材料。”

“關于這次申請‘EAST’磁約束聚變托卡馬克裝置，伱可以和諶院士那邊交流一下，我這邊也不是白拿，會做出一些補償。”

“如果他愿意的話，我這邊可以在高溫銅碳銀復合超導材料生產制造出來后，第一批向他免費提供一些高溫超導材料，相信高溫銅碳銀復合超導材料的性能能讓‘EAST’磁約束聚變托卡馬克裝置更進一步。”