新材料研究室（301室）-清华大学核能与新能源技术研究院

研究领域

自成立以来，以国家重点学科“核燃料循环与材料”为主要研究领域；致力于研究反应堆核燃料及核材料研究，先后开展压水堆核燃料包壳材料，核用石墨材料，NTi涂层和晶须PVD制备，单晶硅的中子辐照研究等。近年来致力于研究开发先进的高温气冷堆燃料元件及其制备技术研究，同时开展新型能源材料、电子封装材料和环境材料以及材料性能表征技术等研究，在新材料制备、性能表征和材料学研究方面取得了丰富的成果。

研究室在上世纪九十年代开始，承担并完成国家“863”高技术项目10MW高温气冷堆的关键任务“燃料元件的研制”，现已建成规模庞大、设备先进的二氧化铀核芯制备、包覆燃料颗粒制备、球形燃料元件研制、性能检测等实验室，拥有目前世界上唯一的球形燃料元件生产线和检测设备。为我国10MW高温气冷堆制备了2万个高性能的球形燃料元件，研制的燃料元件性能达到国际先进水平，并且拥有了我们国家高温堆燃料元件的自主知识产权。目前正承担高温气冷堆示范电站国家重大专项的球形燃料元件规模化制备技术研发及相关课题的科研攻关。在燃料元件研究领域，研究室与德国、法国、荷兰、俄罗斯、南非、日本和韩国等国家有着密切的联系和广泛的合作。另外，研究室还开展了新型碳素材料、燃料电池石墨双极板、微电子导电连接材料、纳米材料、新型功能玻璃、多孔陶瓷材料等方向的开发研究工作，取得显著成绩，许多研究居国内领先地位，达到国际先进水平。

目前的研究工作致力于国家重大科技专项“高温气冷堆核电站示范工程”的相关研究，主要包括球形燃料元件工艺及关键设备研究、球形燃料元件辐照试验研究、球形燃料元件辐照后性能研究以及超高温气冷堆燃料元件的基础研究等。

科研项目

目前承担科研项目20项，其中国家重大科技专项子课题3项，国家863项目2项，国家自然科学基金2项，清华大学985重点课题1项，清华大学985基础研究基金5项，教育部博士点新教师基金1项，横向课题6项。研究室先后获得国家发明3等奖、国家科技进步2等奖各一项，获得部委级科技进步奖共14项。发表论文200多篇，其中被SCI收录100多篇次。申报和获得国家发明专利30多项。

(1)核燃料循环与材料研究方向，包括:高温堆燃料元件材料、新一代高性能燃料元件研究、新型核燃料循环燃料元件设计、燃料元件辐照行为研究、核燃料元件模型计算理论研究、核废料嬗变靶材料研究。

在承担国家863高技术项目10MW高温气冷堆的关键任务“燃料元件的研制”的基础上，建成了世界上唯一的球形燃料元件生产线和检测设备，研制成功2万个高性能的球形燃料元件。目前的研究工作致力于国家重大科技专项“高温气冷堆核电站示范工程”的相关研究，主要包括球形燃料元件工艺及关键设备研究、球形燃料元件辐照试验研究、球形燃料元件辐照后性能研究以及超高温气冷堆燃料元件的基础研究等。

图1 高温气冷堆球形燃料元件UO2核芯图2 高温气冷堆燃料元件包覆燃料颗粒

图3 高温气冷堆燃料球形元件

(2)碳素材料膜燃料电池双极板制备与研究，质子交换膜燃料电池（PEMFC）是一种高效、低污染的动力源。在未来的车载驱动电源、便携式电源和家庭用电站等方面有着广阔的应用前景。1997年我国将“燃料电池技术”列为国家“九五”重大科技攻关项目之一，其中PEMFC为主要科研项目。燃料电池不能商业化的主要原因是成本太高。其中石墨双极板的制作成本占整个燃料电池成本的40%-60%，是直接影响质子交换膜燃料电池能否商业化的主要因素。2002年-2005年，核研院301室承担国家“863”项目﹤碳素材料膜燃料电池双极板制备与研究﹥，经过三年的技术攻关，用树脂作粘合剂、以石墨为导电骨料，通过模压一次制备出具有一定流道的复合材料双极板，用复合双极板（图4）组装成电堆（图5），经性能测试，可以和石墨机刻板相媲美，成本下降50%以上。目前该项目已申请两项国家发明专利。

图4 复合材料双极板产品图5 复合材料双极板电堆

(3)纳米材料，包括有机－无机纳米复合材料、一维纳米材料（SiC纳米棒，Cu纳米棒）、阻燃材料、碳纳米管的应用、纳米光催化材料、纳米颗粒的合成等研究方向。

(4)电子封装基础材料，包括玻璃陶瓷基板、金属化、导电胶等研究方向。

研究了厚膜Ag, Cu导体浆料，导电胶，聚合物导电微球。开发的紫外光固化导电胶具有室温固化、固化速度快（0.5～3分钟）、结合强度高的优点，在液晶显示、等离子显示器件上有广阔的应用前景。开发的辐照聚合PST微球具有球形度高、节能环保的优点，在化工、微电子工业有良好的应用前景。作为导电微球，可以替代金属Ag, Au等，减少贵金属用量，减轻产品重量。

研究新型低温共烧玻璃陶瓷基板。

(5)特种功能玻璃，包括光学玻璃薄膜、微晶玻璃等研究方向。

研究了镀膜玻璃的滤光性能，在保持可见光透过率不大幅下降的同时，大大减少了紫外线对人体的危害；并通过降低红外线透过率来提高玻璃的隔热性能，能够减少住宅空调和汽车空调的使用，降低环境污染。研究结果对于开发低成本滤紫外/红外线的节能环保型汽车玻璃、建筑玻璃具有积极意义。

研究阴离子掺杂TiO2薄膜的光催化性能。

采用热电厂粉煤灰、石英砂、石灰石等原料制备微晶玻璃，产品的各项性能优于大理石，可广泛用于各种建筑装饰材料。

(6)多孔碳化硅陶瓷材料的研究。

研究采用包混工艺制备先驱体粉体，并通过成型和热处理工艺制备孔径大小可控、孔径分布均匀、高孔隙率的多孔碳化硅陶瓷，研究各种工艺参数对多孔碳化硅陶瓷材料性能的影响。

研究孔隙率的形成和衍变机理及其对性能的影响。

通过调整影响多孔碳化硅陶瓷性能的主要工艺参数，可以获得满足不同应用需求的具有特定孔隙率、平均孔径大小和强度等性能的孔径分布范围窄的多孔碳化硅陶瓷。

科研设施

研究室目前已建成规模庞大、设备先进的二氧化铀核芯制备、包覆燃料颗粒制备、球形燃料元件研制、性能检测等实验室，拥有目前世界上唯一的球形燃料元件生产线和检测设备。经过近几年的研究和发展，现在具备完整的设备和仪器包括：一体化制备UO2核芯微球的溶胶凝胶设备体系，陶瓷微球中高温气氛烧结炉；装量从几十克到3公斤，5公斤的流化床CVD沉积炉等包覆燃料颗粒制备全套系统，球形元件压制和机械加工生产线。另外还拥有用于材料合成制备的设备、高中低温真空热处理炉、自动磨抛机、球磨机、粉碎设备、各种机加工设备以及用于材料性能性能评价的仪器，建立了针对核燃料与核材料研究的专用和通用设备仪器。