重磅突破！西工大凝固技術全國重點實驗室成功制備米級高純鎢單晶

近日，西北工業大學凝固技術全國重點實驗室高純材料與單晶生長團隊取得重大科研突破，成功制備出長度達1米、取向可控的高純鎢單晶，意味著相關技術在高端難熔金屬材料領域邁出了重要一步。

研究背景

金屬鎢是熔點最高的純金屬，高達3422℃，兼具優良的導電性、導熱性和機械強度，在高溫、高壓等極端環境下性能突出，是制造高端掃描電子顯微鏡場發射電子源的關鍵材料。然而，高性能鎢單晶長期被美國等發達國家壟斷，成為制約我國高端科學儀器發展的“卡脖子”難題，實現國產替代刻不容緩。但是，制備高質量鎢單晶并非易事。一方面，鎢的極高熔點對熔煉設備提出嚴苛要求；另一方面，晶體取向的精確控制需精準調控溫度梯度、真空度及熔體流動等多重參數。此外，鎢在高溫下易與氧氣反應生成氧化物，進一步增加了制備難度。

研究成果

面對挑戰，凝固技術全國重點實驗室李雙明教授帶領團隊歷經二十余年的持續攻關，不斷優化凝固工藝，最終實現了高純鎢單晶的穩定制備。團隊成功開發出面向場發射電子源特殊需求的〈100〉及〈310〉取向鎢單晶，推動該材料從實驗室研究邁向實際應用。目前，團隊已完成從特種生長設備研制、單晶制備到高精度單晶鎢針加工的全流程技術構建，所制備鎢單晶純度高達99.9995%（5N級），單次生長長度突破1米，并已初步供應國產電鏡企業及多家科研單位，獲得積極反饋。圖1展示了團隊制備的鎢單晶樣品及取向表征，圖２為鎢單晶制備成的場發射電子源。

圖1：(a) 米級長度鎢單晶；(b) 鎢單晶放大圖；(c)〈100〉取向；(d)〈310〉取向鎢單晶EBSD表征

圖２：所制備鎢單晶制成的場發射電子源（針尖制作單位：瞬景科技）

該技術的突破也為其他難熔金屬與合金的高純單晶制備開辟了新路徑。團隊通過工藝調整，已成功實現鈮（Nb）、鉬（Mo）、鎳（Ni）等多種金屬單晶的可控制備。這些單晶材料在高端靶材、襯底及導熱元件等領域具有重要應用前景。圖３展示了團隊生長的多種金屬單晶材料。

圖３：生長的幾種單晶材料 (a) 單晶鈮；(b) 單晶鎳；(c) 單晶鉬

展望未來

未來，團隊將繼續聚焦高純單晶材料的生長與性能優化，緊密圍繞國家重大戰略需求，推動新材料產業高質量發展，努力突破國外技術封鎖，為實現關鍵材料自主可控、服務國家“十五五”科技發展、培育新質生產力貢獻力量。

團隊介紹

高純材料與單晶生長團隊依托西北工業大學凝固技術全國重點實驗室，現有教師三人，碩/博士研究生二十余人。團隊負責人李雙明教授，博士生導師，長期致力于金屬凝固理論、單晶生長以及熱電合金材料等方向的理論研究和應用開發工作。入選教育部新世紀人才項目，主持多項國家自然科學基金項目，以第一/通訊作者在Nat Commun, AEM, AFM, Acta Mater, Scripta Mater, MSEA, MMTA等刊物發表論文100余篇。研究方向主要包括高純和難熔金屬單晶生長、新型凝固技術與復雜合金凝固組織控制，熱電材料與器件等。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝作者團隊支持。