在200-300°C下，经机械研磨和等离子溅射处理后的不锈钢与锂的润湿

《Fusion Engineering and Design》：Wetting of stainless steel with lithium at 200-300°C after mechanical grinding and plasma sputtering

　　

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  在200–300°C的低温下，研究了锂对AISI 304箔的润湿性。
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  机械研磨后再进行等离子体处理，锂在250°C和300°C下能完全铺展于表面。
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  即使在200°C下，接触角也可降至20°。
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  由于冷轧样品的不均匀性，即使经过相同的处理，接触角也可能不同。

引言

液态金属，包括Li、Sn和Ga-Li-Sn合金，被认为是覆盖托卡马克偏滤器和限制器固体表面的面向等离子体材料。液态金属能保护固体金属免受高热负荷，在局部蒸发后具有自愈合能力，且不存在辐射损伤问题。锂在其他候选材料中具有额外优势，如低原子序数可最小化有效等离子体电荷、高蒸发热可最大化表面热吸收、高二次电离电位可在锂蒸发后增强保护器壁的蒸气云中的等离子体能量损失、可吸收杂质以降低Z_eff，以及对来自等离子体的氢离子具有高俘集效率，从而支持低再循环运行。因此，锂是一个相当有前景的候选材料。

正如综述[1]所述，用于承受高热负荷的托卡马克内部部件的液态金属概念存在许多问题，其中之一是液态金属对金属表面的润湿性，因为表面干斑的存在会使设计不适用。托卡马克中使用的金属包括W、Mo、Be和不锈钢。钨和铍被考虑用于第一壁，钨也用于偏滤器，而钼和不锈钢曾用于基于毛细多孔系统和流动锂膜的限制器。所有未经处理的托卡马克候选金属在200–350°C温度下均为疏锂性。然而，升高温度可改善润湿性[[2], [3], [4]]，在400–450°C时可达到20–30°的可接受润湿角，此时锂被认为能在表面“铺展”[3]。然而，高温下蒸发速率和再循环的指数增长要求降低温度。在200–300°C下实现成功润湿将是一项非常有前景的成就。

除温度外，液体对表面的润湿性至少还取决于表面的化学成分和表面形貌。锂润湿性差通常与表面氧化物有关。因此，通过某种方法创造清洁表面可改善润湿性。文献描述了通过锂与表面氧化物反应[2]、基底除气、真空系统和锂回路除气[5,6]、高温加热至1000–1200°C[5,7]、在表面沉积亲锂材料薄层[2]、表面织构化[5]，以及高温下预涂锂层[3,5,6,8]等方法进行表面清洁。然而，不锈钢即使在真空保存下也有氧化并变得疏锂的倾向[5,9]，Cr₂O₃被认为是细晶和粗晶不锈钢上的主要氧化物，尽管真空退火细晶钢上发现了铁氧化物[10]。不锈钢的氧化从晶界开始，氧化物通过铬的表面扩散而扩展[10]。

表面形貌的重要性不亚于其成分。形貌的变化既可增大也可减小接触角，这取决于材料性质，如Cassie-Baxter模型所述[11]。尽管提出了许多润湿模型[12]，但它们都适用于精加工的表面形貌。然而，形貌是不均匀的，金属的其他性质也可能不均匀，这带来了特殊效应，其中之一是液滴的不规则形状和其不均匀铺展。

若干研究致力于等离子体表面处理的影响[3,5,13,14]。结果不一。例如，在[5]中，不锈钢在190至390°C的所有温度下润湿性均得到改善；在[14]中，在200–325°C范围内保持不变；而在[3]中，在200–300°C下反而恶化。在[13]中处理钨时也获得了负面结果，钨在等离子体处理后变得更加疏锂，而在[3]中润湿性几乎不变。矛盾结果的比较因文献未描述所有实验细节而变得复杂。例如，[5]未描述初始表面状态，这可能影响润湿性；[3]未提供不锈钢牌号。研究中使用的辉光放电类型（正常或异常）仍不清楚。从热液滴蒸发的锂可能在其周围再沉积，如果另一个液滴滴落在附近，则可能影响其润湿性。此外，等离子体处理期间表面形貌的发展因实验条件而异。

等离子体处理广泛应用于各种领域，包括改善润湿性，研究其对锂润湿性的影响显然具有重要价值。已发表结果的不一致性更加激发了该领域的兴趣，尤其是在低温下。

本研究考察了机械研磨和等离子体处理后在200–300°C下改善SS304钢润湿性的可能性。选择不锈钢是因为它曾用于基于毛细多孔系统的限制器[15]，也是锂流过限制器和偏滤器板概念中支撑锂的材料，例如[16,17]。此外，也存在第一壁完全覆盖液态锂膜的托卡马克概念[18]。另外，已有若干关于不锈钢等离子体处理后润湿性的实验可供比较。

章节片段

实验

实验在高真空条件下进行，压力为2×10^–7 mbar。使用真空包装中储存的99.9%纯锂片。润湿研究样品由0.3 mm厚的AISI 304不锈钢轧制箔制成。样品为冲压成型的30 mm直径盖帽，带有3 mm高的边缘以防止锂流出。

装置示意图如图1所示。六个样品1围绕旋转台2放置，通过3 mm直径的陶瓷管3连接到旋转台上。

润湿

图2显示了沉积在未处理表面上的液滴。在300°C时，接触角约为110°，而加热至400°C后为35°。接触角数值在不同测试间有所变化，但始终保持在100°以上。这些结果与文献数据一致，根据文献，未处理表面在300°C时的接触角在100–130°范围内，而在400°C时降至30–40°[2,3,5,10]。唯一例外的是[14]的结果，其润湿角

讨论

润湿的总体观察如下：

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  温度升高改善了润湿性，这并不意外。
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  表面研磨在300°C下减小了接触角，但从未导致液滴铺展。在200°C和250°C下，仅观察到接触角的小幅减小。
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  原始表面的等离子体处理更为有效。在300°C和250°C的许多实验中观察到完全铺展，尽管存在接触角低于临界角90°的液滴。

结论

在200、250和300°C温度下，研究了等离子体处理和机械表面研磨对AISI 304不锈钢锂润湿性的影响。

等离子体处理通常改善润湿性，但不同样品间结果存在差异，显然是由于变形表层的不均匀性所致。表面研磨对润湿性的影响较小，但显著提高了后续等离子体处理的效率。结果，联合处理后，

CRediT作者贡献声明

А.А. Pisarev：写作–审阅与编辑，写作–原稿，监督，方法论，资金获取，形式分析，概念化。G.M. Tarasyuk：调查研究。N.A. Suvorov：调查研究。T.V. Stepanova：调查研究。V.A. Stepanov：调查研究。

А.А. Pisarev|G.M. Tarasyuk|N.A. Suvorov|T.V. Stepanova|V.A. Stepanov