聚变堆被认为是能够解决人类清洁能源供应的重要途径之一。氚是聚变堆的主要燃料之一，但它能快速渗透通过大多数金属材料，引起结构材料氢脆/氦脆问题。另外，氚渗透泄露会造成氚燃料无法自持和对周围环境放射性污染及人员的潜在危害。目前国际上针对氚渗透泄露问题的主要解决方案是在结构材料表面制备以氧化铝为代表的阻氚涂层。虽然氧化铝对氢同位素有较强的阻滞能力，但是陶瓷材料的硬脆性使其在聚变堆严苛服役环境下（如高温、氚渗透、复杂应力等）易开裂脱落，严重影响其阻氚性能与使用寿命。
　　最新研究表明，石墨烯致密的电子云结构对氢同位素具有较好的阻隔作用，同时石墨烯在陶瓷材料中的掺杂亦能增强材料的韧性。本文以中国抗辐照钢CLAM(China Low Activation Martensitic steel)为基底材料，在国内外现有氧化物阻氚涂层研究工作的基础上，设计并制备了兼具阻氘性能和韧性的石墨烯/氧化铝复合阻氚涂层，研究了涂层制备工艺对其微观结构和性能的影响以及阻氘机制和增韧机制等。主要研究内容如下:
　　1)利用喷涂法结合氘气热还原在CLAM钢表面分别制备了氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)膜和还原氧化石墨烯(Reduced Graphene Oxide，RGO)膜。350℃下GO膜和RGO膜的阻氘渗透因子(Permeation Reduction Factor,PRF)分别为13和7，明显低于常温下石墨烯的阻氘性能。高温高压气体环境会影响石墨烯膜的微观结构，长时间高温下膜表面缺陷增多，甚至会造成膜的破裂和脱落。高温时极少量气体会通过石墨烯膜的层间缺陷进入到膜内部，且石墨烯高温氧化产生CO和CO2等，内部气体聚集导致石墨烯膜出现鼓包及破裂。石墨烯膜应用于聚变堆中阻氚时，需要改善工艺以提高其阻氘性能。
　　2)利用喷涂法结合溶胶凝胶法，设计并制备了一种层状结构的石墨烯/氧化铝复合阻氚涂层，研究了层数、GO膜厚度、GO膜类型等对复合涂层微观结构、韧性、渗透性能和抗热震性能的影响。多层复合涂层（由3层单层45nm厚的GO膜和4层单层190nm厚的Al2O3层组装而成）在550℃时PRF为134，是相同条件下纯Al2O3涂层的5倍以上，多层结构中石墨烯膜阻碍氘原子扩散而提高复合涂层阻氘性能;该复合涂层韧性相比纯Al2O3涂层增强约23％，多层结构能有效偏转纵向微裂纹扩展方向而提高复合涂层韧性;但多层复合涂层的抗热震性能较差，60次热循环后涂层表面出现微孔和局部脱落，引发其阻氘性能下降约3.4倍，PRF为39。综上，层状结构可有效增强复合涂层的韧性和阻氘性能，但抗热震性能需要进一步改善。
　　3)利用溶胶凝胶法制备了一种具有网络型结构的石墨烯/氧化铝复合阻氚涂层，研究了GO含量、热处理工艺和热循环测试等对复合涂层微观结构、韧性、渗透性能和抗热震性能的影响。添加0.5wt％GO的网络型复合涂层在550℃时PRF为178，是相同厚度纯Al2O3涂层的9倍以上，提高热处理时间可增强复合涂层阻氘性能，650℃下10h热处理后涂层PRF为412;同时该复合涂层的韧性相比纯Al2O3涂层增强约40％;该网络型复合涂层具有一定的抗热震性能，60次热循环后PRF变化小于5％。GO纳米片在复合涂层中的网络型结构可有效阻挡氘原子扩散，延长氘原子的扩散路径，提高其阻氘性能，且GO含量越高涂层的阻氘性能越强。同时，GO纳米片在复合涂层中增多裂纹扩展路径及消耗裂纹扩展功而提高涂层韧性。综上，该复合涂层中GO纳米片的网络型三维排列结构，增强了涂层韧性和阻氘能力，且该复合涂层具有一定的抗热震性能。
　　综上所述，本文设计制备的石墨烯/氧化铝复合阻氚涂层，可同时提高涂层韧性与阻氘性能，且该涂层具有制备简单、热处理温度低(650℃)、抗热震等特点。未来需要进一步优化涂层制备工艺，改善涂层微观结构，提升涂层高温阻氘性能，并对其抗辐照性能和耐腐蚀性能进行综合验证。