大国院士 - 第350章 材料不够，石墨烯来凑！

    第350章 材料不够，石墨烯来凑！
    遇事不决，量子力学，脑洞不够，平行宇宙。
    这是网络上很热门的一句话，意思是遇到解决不了的事情或者疑问时，说是“量子力学”就行了。
    而在材料界，其实也有一句这样的话语。
    材料不够，石墨烯来凑。
    石墨烯，被材料界的人称作‘全能材料’。
    它是一种由碳原子紧密堆积成单层的‘二维蜂窝状晶格结构’的碳材料，具有优异的光学、电学、力学特性。在材料学、微纳加工、能源、生物医学、药物传递等几乎大部分应用领域都具有适应性和重要的应用前景。
    这是一种火出圈的材料，很多普通人都知道。
    当然，石墨烯材料的性能之强大，也让人咋舌。
    它的强度硬度甚至超过了钻石，能达到优质钢材的百倍一块用它制成的一厘米厚板材，能够让一头五吨重的成年大象稳稳站在上面而不会塌陷折断。
    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达到97.7%，所以肉眼下它几乎是透明的。
    而如果用石墨烯制造手机电脑的电池屏幕，屏幕几乎可以随意折叠，甚至折成豆腐块放进口袋里都不影响它的性能。
    在导电导热方面，目前也还没有什么传统材料可以超过石墨烯。
    此外，石墨烯材料同样是目前也是超导研究领域的一大方向。
    2018年的时候，米国麻省理工学的曹原和他的导师，麻省理工学院的物理学家巴勃罗·贾里洛·埃雷罗为代表的研究人员在 nature杂志上发表论文，展示了团队在石墨烯上的研究成果。
    当两片石墨烯重叠转角接近1.1°时，能带结构会接近于一个零色散的能带，导致这个能带在被半填充时会转变成一个莫特绝缘体。
    而这种对堆叠的石墨烯进行旋转和充电后具有的超导性。
    再加之石墨烯具有极高迁移率的电子，使其拥有可以像超导体中实现两两配对电子的可能，使其成为了研究高温超导，甚至常温超导的未来材料之一。
    不过要想在石墨烯上突破常温超导，难度很大。
    哪怕是在十几年后，徐川也没听说过哪个国家能制造石墨烯高温超导材料，高温石墨烯超导依旧处于实验室探索中，至于常温超导，就更别提了。
    当然，石墨烯超导材料的潜力非常巨大。
    一方面在于石墨烯这种二维材料，只要找到了方法，就可以像橡皮泥一样任意捏造，圆的方的长的扁的线条空心都可以。
    另一边方面，就在于石墨烯材料的电流载荷能力了。
    超导材料与超导材料之间亦是有区别的。
    电流载荷能力越强，能提供的磁场和各种性能就越强。
    而在这方面，石墨烯拥有着巨大的潜力。
    这种极品材料，限制它应用的唯一原因就是工业化生产实在太困难了。
    目前来说，还找不到一种能大量、稳定产出高质量石墨烯的方法。
    不过对于现在来说，徐川要的并不是石墨烯材料的超导能力，他只需要石墨烯优异的物理性能来辅助提升高温铜碳银复合超导材料的韧性。
    至于目前石墨烯无法大批量生产的问题，那并不是他需要头疼的问题。
    如果是应用在超导材料上，小批量的制造也足够了。
    如何削减成本、如何产品化、如何从中牟利，那都是工业界和商业界需要去考虑的，和他这个学者没什么太大的关系。
    相对比张平祥院士所说的的掺杂氧化锆原子来说，徐川更看好通过石墨烯材料作为晶须（纤维）增韧材料来弥补高温铜碳银复合材料的韧性。
    因为对于一种超导材料来说，如果材料间晶构破裂，是会导致超导能隙出现缺口的，而超导能隙出现缺口，则会导致各方面的超导性能都急剧降低。
    但晶须（纤维）增韧技术的核心其实要归根于材料的化学键上面去。
    众所周知，绝大部分的金属材料都很容易产生塑性变形，其原因是金属键没有方向性。
    而在陶瓷这类材料中，原子间的结合键为共价键和离子键，共价键有明显的方向性和饱和性。
    在这种情况下，离子键的同号离子接近时斥力很大，所以主要由离子晶体和共价晶体组成的陶瓷，滑移系很少，一般在产生滑移以前就发生断裂。（高中知识，别再说看不懂了！）
    这就是室温下陶瓷材料脆性的根本原因，而高温铜碳银复合超导材料的性质和陶瓷材料很类似。
    但晶须（纤维）增韧技术能很好弥补这一点，当晶须或纤维在拔出和断裂时，都要消耗一定的能量，有利于阻止裂纹的扩展，提高材料断裂韧性。
    简单的来理解，就是当你要掰断一根筷子的时候，在筷子上有一层薄膜，这层薄膜能吸收来自你手臂的力量，从而保持内部筷子的形状。
    当然，使用石墨烯来进行晶须（纤维）增韧的具体情况会更复杂。
    因为石墨烯和高温铜碳银复合超导材料的结合并不是简单的混合在一起的，它更像是一种复合材料，通过极薄的界面有机地结合在一起。
    这种情况下，石墨烯中的化学键是有可能会取代铜碳银复合材料中的掺杂的碳原子键的。
    徐川之所以选择使用石墨烯来当做增韧材料，也是因为考虑到了这点。
    石墨烯是纯净的单层，‘二维蜂窝状晶格结构’的碳材料，它与铜碳银材料界面的有机结合并不会改变高温铜碳银复合超导材料的成分。
    所以从理论上来说，通过石墨烯来进行晶须（纤维）增韧还是有可能达到目的。
    至于具体是否能做到，那就要看实验的结果了。
    川海材料实验室中，徐川和张平祥各种从自己看好的方向出发，研究着解决高温铜碳银复合超导材料韧性不够的问题。
    另一边，之前离去准备国内可控核聚变实验堆参数信息的高弘明回来了。
    不仅带来了国内各大可控核聚变研究所中实验堆的详细参数，也带来了国内有资格，有能力生产高温铜碳银复合超导材料的厂商名单。
    徐川先看的，是国内各大可控核聚变研究所中实验堆的详细参数。
    这关系到等离子体湍流控制模型的实测。
    办公室中，徐川翻阅着高弘明带来的资料。
    宽松的一点来算，目前国内有十几个可控核聚变研究所，但聚变堆只有十一个。
    这一听数量的确挺多的，但实际上这十一个聚变堆大部分都只是实验堆甚至是装置堆而已。
    所谓的实验堆，指的是能够满足等离子体实验最基本实验需求的实验装置。
    而装置堆，就更不用多说，它连一次点火实验都没法做。
    在高弘明带来的资料中，目前国内有能力做点火运行实验的聚变堆，只有两个。
    分别是科学院等离子体物理研究所的磁约束聚变托卡马克装置‘east’和工九院的惯性约束聚变装置‘神光’。
    而惯性约束的手段，和磁约束完全不同。
    磁约束可以理解为让高温等离子体在设备中流动聚变形成高温。
    而惯性约束则是利用物质的惯性，把几毫克的氘和氚的混合气体或固体，装入直径约几毫米的小球内。
    再从外面均匀射入激光束或粒子束，球面因吸收能量而向外蒸发，受它的反作用，球面内层向内挤压形成高温环境，让这几毫克的的氘和氚的混合气体爆炸，产生大量热能。
    如果每秒钟发生三四次这样的爆炸并且连续不断地进行下去，那么所释放出的能量就相当于百万千瓦级的发电站。
    简单的来说，惯性约束类似于氢弹爆炸，然后从爆炸能量中吸取热能发电。
    只不过是规模更小，可控性更高的那种。
    这种手段，对于徐川研究的等离子体湍流控制模型来说没有什么意义，因为聚变方式都截然不同。
    所以在排除掉工九院的惯性约束聚变装置‘神光’后，他能选择的实验堆，就只剩下了‘east’磁约束聚变托卡马克装置。
    ‘east’磁约束聚变托卡马克装置，又叫做全超导托卡马克核聚变实验装置，它曾在16年和18年分别创造了五千多万度和一亿摄氏度等离子体运行实验。
    在17年的时候创纪录地实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行。
    在国内，它是可控核聚变领域当之无愧龙头老大，哪怕是放到世界上，也是最顶尖那一批的实验堆。
    不过除了‘east’外，其他的聚变装置就有些差强人意了。
    徐川也没想到，在19年底的时候，国内的可控核聚变领域还是这幅样子。
    的确，从技术上来说，在可控核聚变这条路线上，国内已经是顶尖的那一批了，各项技术整体上来说还是相当不错的。
    但是在实验堆这一块，也的确有些稀少。
    除了‘east’磁约束聚变托卡马克装置外，在目前竟然没有其他的实验堆能做点火实验。
    后世出名的科大一环ktx聚变堆、环流器二号hl-2a和hl-2m实验堆等设备，在目前基本都还处于在建未完工状态。
    哪怕是完工时间最近的环流器二号，也需要等到20年的下旬去了。
    而且即便是完工了，它也没能力立刻就展开点火实验。至少还需要一到两年的时间走完各种测试，经历至少两道三轮以上的点火实验后，才可能对等离子体湍流模型进行测试。
    这种局面，让徐川无奈的苦笑了一下。
    现在看来，他根本就没有选择。
    唯一庆幸的是，‘east’磁约束聚变托卡马克装置的各项参数都相当优异。
    east装置的主机部分高11米，直径8米，重400吨，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。
    拥有16个大型“d”形超导纵场磁体，能产生纵场磁场强度3.5t；12个大型极向场超导磁体可以提供磁通变化ΔФ≥ 10伏秒；通过这些极向场超导磁体，将能产生≥ 100万安培的等离子体电流；持续时间能达到1000秒以上，在高功率加热下温度将超过一亿度
    这一系列的参数，哪怕是放到全世界，也是相当优秀的。
    优秀的设备，再配合等离子体湍流数学模型，哪怕仅仅是唯像级别的模型，徐川也有信心打破当前托卡马克装置运行最长时间的记录。
    甚至追逐一下仿星器的运行时间记录也不是不可能的事情。
    看完手中资料后，徐川轻轻的摇了摇头，叹道：“没想到国内可控核聚变的发展是这样的。”
    沙发上，高弘明身体前倾紧张的询问道：“没有符合要求的吗？”
    徐川点了点头，又摇了摇头，道：“符合要求的有，不过只有一个，庐阳那边的east装置从数据来看符合要求，至于其他的，都不行。”
    闻言，高弘明倒是稍微松了口气，笑道：“能有符合要求的就行，east装置的领导人是谌明继院士，他也是咱们国家对接iter国际聚变工程的负责人，我这边后续会去和谌院士沟通交流一下的。”
    徐川点了点头，思忖了一下后说道：“这件事本来应该我亲自去一趟的，但最近我在和张平祥院士一起研究如何优化高温铜碳银复合超导材料，实在脱不开身。”
    “这样吧，我请彭鸿禧院士跟着你一起过去一趟，也显得更重视一些。毕竟要使用人家的设备，还需要修改控制模型，对于可控核聚变来说，也是一件挺大的事情了。”
    高弘明笑着点了点头，道：“没关系，您先忙您的研究，相信谌院士会理解的。”
    顿了顿，他接着道：“对了，关于您之前和秦蔀长那边交流的有关于高温铜碳银复合超导材料生产的工作，我这边将有资格有能力生产的厂商资料也顺带一起带过来了，您先看看？”
    徐川点了点头，从高弘明手中接过资料，正要翻看，他想了想又开口道：“对了，我刚刚看资料，‘east’磁约束聚变托卡马克装置使用的还是铌钛合金作为超导材料。”
    “关于这次申请‘east’磁约束聚变托卡马克装置，伱可以和谌院士那边交流一下，我这边也不是白拿，会做出一些补偿。”
    “如果他愿意的话，我这边可以在高温铜碳银复合超导材料生产制造出来后，第一批向他免费提供一些高温超导材料，相信高温铜碳银复合超导材料的性能能让‘east’磁约束聚变托卡马克装置更进一步。”
    ps：今天下午将电脑拿回来了，不过时间已经来不及了，明天再双更吧，顺带求一下月票（修一下五百多快，呜呜呜┗( t﹏t )┛，）
    (本章完)