在材料科学中飞扬青春

能源问题日益成为中国和全世界面临的共同危机，而核聚变能是公认的可以解决人类未来能源问题的有效途径之一。经过数十年的努力，核聚变研究已经取得了很大进展，其标志就是国际热核聚变实验堆(International Thermonuclear Experiment Reactor，ITER)计划的正式签署并开始建造。这是国际上仅次于国际空间站的重大国际合作项目。

2006年11月21日，时任科技部部长的徐冠华代表中国政府签署了ITER计划的联合实验协定及相关文件，这是中国科学家首次和欧美等发达国家的科学家一起研究重大科学项目，中国此次加入ITER，分担了一部分项目的研究工作。接下来的工作有很多，国内众多相关领域的科学家都在摩拳擦掌，积极筹措准备，争取尽早地在我国建立起示范聚变堆和商用聚变堆。在这样一条聚集了我国众多知名科学家的研发道路上，北京科技大学材料学院周张健副教授也涉身其中，作为一名年轻的学者，他且学且耕耘并收获着……

超高压力下“长不大”的纳米金属材料

大尺寸三维纳米金属块体材料的制备科学，是当今纳米金属材料研究的热点和难点，在烧结时如何避免与抑制纳米晶粒长大是纳米材料制备的关键问题，对块体纳米材料的制备技术及其机理的研究具有重要的战略意义。从技术层面上要解决的瓶颈问题是必须制备出“稳定的超细特征尺寸的理想纳米块体材料”――即全致密、无污染，晶粒尺寸均匀且完全驰豫状态的较大三维尺寸的纳米金属。

要解决这一材料领域的瓶颈问题，对周张健来说还真不是一件容易的事情，本硕都毕业于中国地质大学的他，与金属材料学的接触很浅。自1996年到北京科技大学执教之后，他有机会更深一步地接触材料学，一边师从于当时在研究新材料的博士生导师葛昌纯教授，一边做无机金属材料的教学与科研工作，从此他的目光就在聚变堆面向等离子体材料上锁定，再也没有离开过。从工程的角度来讲，材料问题成为决定聚变能能否开发成功的关键之一，尤其是服役环境最为苛刻的直接面对聚变反应等离子体的面向等离子体材料(Plasma Facing MaterialS，PFM)。而超细晶粒难熔金属钨被认为是最有前景的适用于未来聚变堆的面向等离子体材料。面对挑战，周张健并不畏惧，他和他的同事们选择了迎难而上，并采用超高压力下通电烧结新方法解决这一瓶颈问题。这一具有自主知识产权的新方法能成功制备出平均晶粒尺寸为50nm和90 nm的纳米钨、钼块体材料及超细晶粒钨、钼块体材料。他们系统研究了施加压力、通电功率、通电时间对致密化行为的影响；探讨了超高压力下通电烧结新方法的烧结机理；对获得样品的微观结构，力学、热学性能等进行了系统的测试和分析。结果表明，对于样品致密化影响最重要的是压力，其次为通电功率，再次为通电时间。随着钨晶粒度的减小，其抗弯强度和显微硬度显著增加。

由于超高压力的施加，以及只需要很短的烧结时间(约1分钟)，超高压力下通电烧结方法非常有利于制备超细晶粒金属材料，所制备的难熔金属材料晶粒尺寸基本保持与原料粉末粒度一致，而且还能进一步细化晶粒。

这些研究成果将为发展纳米材料烧结理论做出新的贡献，其关键性技术不仅可应用在聚变研究领域，而且在航空、航天和其他军工国防项目上也有着广泛的应用前景。

聚变堆中显神效的功能梯度材料

功能梯度材料(Functionally graded Material，FGM)是一种采用多元化技术制造的新型材料，其特点是材料的组成(或结构，性能)沿厚度方向梯度变化。功能梯度材料最初主要针对高温环境使用的具有不同热膨胀系数的材料之间的连接而提出，人为控制多元材料各个不同部位的热膨胀系数，从而获得明显的耐热冲击效果和抗热震的能力。它是用计算机进行模拟计算，然后根据计算结果，在两种不同材料的结合部分进行设计及加工，最终形成的一种介于异质材料和复合材料之间的新型材料。在高新技术产业日益发展的情况下，这种新奇的材料为人类社会的发展做出了积极贡献。周张健对这一领域有一定的研究，采用功能梯度材料的概念，连接了作为聚变堆面向等离子体材料的钨和作为热沉的铜基合金。他作为主要骨干参与的“聚变堆中面向等离子体功能梯度材料的设计、制备与评价”项目获得第二届材料研究学会科学技术奖二等奖。周张健作为项目负责人主持完成了国家自然科学基金项目：“用于聚变堆的W/Cu功能梯度材料的研究”。他在前人工作的基础上，发展了超高压力下通电烧结方法制备小尺寸的W/Cu FGM。对W/Cu FGM的微观结构、力学和热学性能进行了系统研究。同时发明了熔渗一焊接法制备较大尺寸的w/Cu FGM水冷模块(mock-up)。结合有限元分析制备了尺寸为30×30×30 mm3的水冷模块，采用高能电子束对其稳态热冲击性能进行了测试，结果表明所设计制备的模块具有较好的抗热；中击性能，在5MW/m2的热流冲击下连接件无损伤，钨层温度低于300℃。另外，对于由高熔点差组分组成的SiC/Cu、B4C/Cu和AI 203/cu FGM的制备也进行了研究。

事实证明，功能梯度材料的应用领域十分广泛。在空间技术上，它能够成为制造航天飞机和火箭的重要材料。此外，功能梯度材料还可以在通信领域里制造低损耗的光导纤维，在原子能领域中作为抗辐射的核反应堆用材料，并能够在其他各个领域中作为极端条件下使用的材料。周张健说，目前从世界角度来看，功能梯度材料尚处于研究阶段，许多问题特别是功能梯度材料的应用问题还需要人们在今后的实践中逐一给予解决。尽管如此，他和他的同事还是做了一些这方面的工作，并走在行业前列：他们在国内外首次采用了大气等离子体喷涂技术制备了B4C/Cu FGM涂层，并对其显微结构和性能进行了研究。他们还对采用大气等离子体喷涂技术制备ZrO2基FGM热障涂层进行了研究。

巧妙连接石墨和铜的连接件

石墨及其复合材料因具有性、耐高低温性、导热性及导电性，抗震性以及化学性质稳定等特殊性能，可作为耐高温材料而铜及其合金具有良好的导热性，可作为冷却的理想金属材料。石墨在核工业中得到广泛应用，铜与其连接能起到加强散热的作用。但是石墨与铜及其合金的焊接存在着一些难以解决的问题，如物理性能差异导致接头存在较大的残余应九铜与石墨的润湿性较差等，二者间的连接问题成为必须要解决的技术关键。周张健及其同事发明了采用Ti基非晶焊料真空钎焊的方法对掺杂石墨和铜进行连接的新方法。对连接件进行了有限元设计，试验结果和设计结果具有很好的吻合，通过Mo/Cu复合中间层的加入能够有效地缓解钎焊过程中产生的热应力，从而获得性能优良的石墨/铜的连接件。所制备的水冷模块在5MW/m2的热流冲击下连接件无损伤，石墨层温度低于500℃。另外，还采用直接活性金属铸造的新方法对石墨和铜的连接进行了试验，该方法与国外已报导的结果相比，具有更简单的工艺过程和更低的成本优势。

2007年，国家公派周张健到德国于利希研究中心能源所进行聚变堆第一壁材料的合作研究，他出色的研究工作得到外方合作伙伴的高度评价，同时，在外的工作经历也使周张健更深刻地意识到国内外之间的差距。他目前从事的新型超细晶粒钨基面向等离子体材料的研究可以说与国外同类研究处于同样的起步阶段，鲜明的研究特色引起了国外同行的极大兴趣和关注。他将继续在这一领域锐意进取，巩固和提高聚变堆新型面向等离子体材料方面的研究地位及国际影响力。为未来聚变堆的关键材料储备技术基础做出应有贡献。

学习是一种态度，勤奋好学的周张健是执着与专注的，多年来他先后主持国家自然科学基金一项：负责国家“973”项目课题一项；负责国家自然科学基金重点项目子课题一项；参与国家“973”和“863”课题四项。先后发表学术论文70余篇，其中SCI收录30篇。在国际专业会议上作分会邀请报告及口头报告5次。获得中国发明专利5项，其中作为第一发明人获得3项。2007年获得“北京市科技新星”称号。