[发明专利]在钨材料表面制备微纳结构的方法和表面具有微纳结构的钨材料及其应用

说明书

本发明提供了一种在钨材料表面制备微纳结构的方法和表面具有微纳结构的钨材料及其应用，属于材料表面微结构技术领域。本发明提供的在钨材料表面制备微纳结构的方法，包括以下步骤：在真空条件下，采用氦离子显微镜在钨材料的表面进行第一离子刻蚀，得到刻蚀微区；在真空条件下，采用氦离子显微镜对所述刻蚀微区进行第二离子刻蚀，在所述刻蚀微区内形成纳米条纹，在钨材料表面得到微纳结构。本发明提供的制备方法在真空条件下操作，不易受污染；氦离子显微镜具有超高精度的多功能的加工能力，采用氦离子显微镜进行制备的微纳结构精确高；能够实现对微纳结构的定量控制；而且工艺简单、成本低。

技术领域

本发明涉及材料表面微纳结构制备技术领域，具体涉及一种在钨材料表面制备微纳结构的方法和表面具有微纳结构的钨材料及其应用。

背景技术

钨材料由于具有熔点高、导热性良好和溅射产额低等优点，已经被公认为是最有前景的托卡马克装置面向等离子体材料。但是，钨与聚变反应产物氦发生相互作用，会引起钨材料起泡和脆化等辐照损伤，进而严重影响钨材料的使用寿命和聚变反应的稳定性。

为了解决钨材料的起泡问题，可以通过改变材料表面粗糙度来增加材料表面界面数量，吸收并消除氦辐照诱发的点缺陷，从而抑制氦原子团聚，达到提高材料抗辐照损伤能力的目的。

目前改变材料表面粗糙度的方法主要有磨削、研抛等常规机械抛光，电解抛光和等离子体抛光。但是，磨削和研抛的方法加工效率非常低；电解抛光不能实现超光滑表面质量；等离子体抛光由于反应区域大，不能保证材料表面各点粗糙度一致；电解抛光是对整个材料的表面进行电解，其表面的微纳结构无法定量控制；等离子体抛光也是对整个材料的表面进行刻蚀，其表面的微纳结构同样无法定量控制。因此，上述抛光方法受其技术的限制，存在制备效率低、精度低和无法定量控制等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在钨材料表面制备微纳结构的方法和表面具有微纳结构的钨材料及其应用，能够实现定量制备表面微纳结构，而且工艺简单，成本低等。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种在钨材料表面制备微纳结构的方法，包括以下步骤：

在真空条件下，采用氦离子显微镜在钨材料的表面进行第一离子刻蚀，得到刻蚀微区；

在真空条件下，采用氦离子显微镜对所述刻蚀微区进行第二离子刻蚀，在所述刻蚀微区内形成纳米条纹，在钨材料表面得到微纳结构。

优选地，所述钨材料的形状为圆形；所述钨材料的直径为3～10mm，厚度为1～2mm。

优选地，所述钨材料在使用前依次进行机械加工、抛光和超声波清洗。

优选地，所述真空条件的真空度为10^-3Pa以下。

优选地，所述氦离子显微镜采用的离子源为镓离子源。

优选地，所述氦离子显微镜的工作条件为：加速电压为25～30kV，束流为10～15pA，入射角为40～50°。

优选地，所述刻蚀微区的形状为正方形；所述刻蚀微区的边长为 5～10μm，刻蚀深度为5～10μm。

优选地，所述纳米条纹的形状为长方形；所述纳米条纹的长度为3～5μm，宽度为0.5～1μm，深度为1nm～1μm。

本发明提供了上述技术方案所述方法制备的表面具有微纳结构的钨材料，包括钨基体和所述钨基体表面的微纳结构，所述的微纳结构包括刻蚀微区和在刻蚀微区内形成的纳米条纹。

本发明还提供了上述技术方案所述方法制备的表面具有微纳结构的钨材料或上述技术方案所述表面具有微纳结构的钨材料在托卡马克装置中的应用。