我们要制造自己的大飞机, 高铁, 战舰, 哪种材料最合适? 哪种构型最安全? 出现了问题是什么原因引起的? 要研究这些问题, 就必须借助能揭示原子, 分子运动状态的 '中子散射技术' .
2015年, 中国工程物理研究院 (简称中物院) 核物理与化学研究所研制出国内首个投入科学研究和工程应用的中子科学平台, 成为研究物质结构及其动力学的最重要工具之一. 运行3年来, 这个承载着老一辈科学家梦想的科学平台, 发挥了哪些作用? 日前, 科技日报记者进行了采访.
回答 '原子在做什么'
利用中子测定物质微观结构的实验方法称为中子散射, 它不但可以告诉我们 '原子在哪里' , 还可以告诉我们 '原子在做什么' , 这也是当前测定物质微观结构, 无损检测材料残余应力, 直接观察材料磁通晶格的唯一工具. 目前, 世界上只有反应堆和散裂中子源能产生用于中子散射实验的中子束流, 其中反应堆中子源是连续的稳态中子束流, 散裂中子源产生的是脉冲中子源.
不同于刚刚在广东宣布建成的中国散裂中子源, 中物院中子科学平台依托2011年首次达到满功率运行, 固有安全性好, 实验空间大的中国绵阳研究堆和国内首台冷中子源建立, 拥有 '麒麟' '凤凰' 等6台谱仪.
平台负责人说, 3年来在有机光电材料, 高分子物理, 可燃冰研究, 国产发动机研制等重要研究领域, 都可以找到中子科学平台的身影. '平台首次实现通过中子方式, 快速准确地观察材料分子的溶液聚集行为; 首次获得直径1100毫米重达50公斤的发动机涡轮盘在特定区域的三维残余应力分布准确数据, 并成为世界上少数具备可燃冰水合物研究条件的实验室之一. '
'透视' 发动机涡轮盘
航空, 航天发动机的涡轮盘, 叶片等高温合金部件, 需要在600至1200摄氏度高温, 一定应力作用下长期工作, 并能够抗氧化, 抗腐蚀, 只有准确测量其应力分布的数值, 才能优化其制造工艺.
'而要在不破坏部件结构的前提下, 获取高温合金材料内三维残余应力的完整分布数据, 中子残余应力分析是唯一方法. ' 科研团队成员说, 用于测量材料微观力学行为, 代号 '麒麟' 的中子应力分析谱仪, 目前已在我国航空航天领域初显身手. 团队在国内首次获得直径1100毫米重达50公斤的发动机涡轮盘特定区域三维残余应力分布的准确数据, 还先后多次完成了飞机发动机涡轮盘, 叶片和飞机蒙皮内部残余应力的分析以及拟合.
对可燃冰研究的条件非常苛刻, 而平台中用于晶体结构, 相变测量的高压中子衍射谱仪 '凤凰' , 则具备这样的能力. 目前, 科研团队已搭建了高压低温水合物合成与表征实验系统, 成为世界上少数具备可燃冰水合物研究条件的实验室之一.
为满足多个领域在各种极端条件下开展中子散射研究, 三年来中物院科研团队为平台研发, 制备了多种原位环境设备, 还有测角仪, 电磁铁, 剪切流变仪等国际常用的原位环境设备平台.