记者目前从北京科技大学获悉：与本世纪最受关注的磁约束核聚变科学项目——国际热核实验反应堆（International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER）计划相关的热核聚变堆实验装置中面向等离子体的钨基偏滤器材料研究获得显著进展。
1996年，北京科技大学葛昌纯院士向国家有关部门提交了耐高温等离子冲刷的功能梯度材料的顶层设计项目建议书，他设想这种材料首先可以应用于受控核聚变的第一壁材料。这项建议得到了国家有关部门的重视和核工业西南物理研究院的合作。“863”新材料专家委员会听取了葛昌纯的论证报告，于1997年4月批准了这个项目。经10余年努力，通过两个“863”项目、一个“973”项目、一个自然科学重点项目的支持，葛昌纯课题组较深入地研究了弹塑形有限元分析和优化设计、超高压通电烧结、熔渗—焊接法制备模块、活性金属真空钎焊、活性金属铸造、自蔓延燃烧预热爆炸固结、分次热压等新技术，研制出6个体系的基于功能梯度材料（Functionally Graded Materials, FGM）的第一壁候选材料，其中五种国际上尚未见文献报道。近两年来，葛昌纯课题组又在钨基面向等离子体偏滤器材料的研究方面取得新的显著进展。
一 钨基面向等离子体偏滤器材料研究
偏滤器是面向等离子体出口处的关键材料，这里一方面热流密度高达10MW/㎡。另一方面，受到等离子体和各种粒子，脉冲运行状态和交变热应力的强烈作用，它是核聚变装置中服役条件最严酷的材料，也是人类到目前为止还没有遇到过工作环境这么复杂的材料。
钨因其高熔点，高热导率，低溅射率和低的氚滞留等特性。被公认为最有希望的未来聚变堆的面向等离子体材料。然而钨具有低温脆性，韧脆转变温度较高，再结晶温度低以及辐照脆化等缺点，要使其成为可以应用于未来核聚变堆的偏滤器材料，必须解决以下的难题：（1）制造具有优异性能的钨块体材料或钨涂层材料；（2）和作为热沉材料的铜合金相连接；（3）评价和改进钨的抗热冲击和抗辐照性能。
课题组通过提高钨的综合力学性能，特别是强度塑性和采用功能梯度材料的设计用以解决这三个难题中的材料性能问题。课题组在与中科院合肥等离子体物理研究所和核工业西南物理研究院合作的基础上，通过细化晶粒和弥散强化（Oxide Dispersion Strengthening, ODS）来改进和提高钨的力学性能。
（1）细晶和超细晶钨的通电快速烧结研究
超高压通电烧结技术（Resistance Sintering under Ultrahigh Pressure, RSUHP）是课题组的一项原创性发明，它利用交流电通过不同电阻材料发出的焦耳热不同的原理，巧妙地把熔点差别很大的两种材料一步烧结成牢固结合的层状材料或梯度材料（如W和Cu, SiC和Cu, B4C和Cu等）。在超高压下烧结温度较低、时间缩短，快速加热和冷却，不需要任何添加剂就可使材料的致密度达到99%以上。课题组发现，在超高压作用下能碎化钨的颗粒，而且在RSUHP过程中能抑制钨的晶粒长大，从而可以获得超细晶粒甚至纳米晶钨的块体材料。在优化了工艺参数后，抗弯强度达826MPa, 硬度为HV1118。此外，课题组还应用火花等离子体放电烧结技术（Spark Plasma Sintering, SPS）,以及RSUHP和SPS结合技术研究超细钨的烧结，获得抗弯强度1075MPa,HV524。以电子束进行瞬间高热流冲击试验，在功率密度为0.22GW/㎡下无裂纹发生，在0.88GW/㎡下无熔化和无明显粒子溅射发生。
（2）超细晶氧化物弥散强化（ODS）钨复合材料的研究
在超细晶氧化物弥散强化钨复合材料的研究过程中，课题组采用机械合金化和SPS技术研究了纳米Y2O3能有效的促进钨的致密化，抑制钨晶粒在烧结过程中的长大，提高材料的力学性能。随着钛的加入，能更进一步促进钨的致密化，抑制晶粒长大和提高力学性能。优化工艺参数后，抗弯强度和显微硬度分别为1055MPa和HV1023。这在国际上尚未见文献报道。
（3）超细晶碳化物弥散强化（CDS）钨复合材料的成分设计及其微观调控
研究了纳米ZrC和TiC的微量引入对CDS-W的显微结构和力学性能的影响。结果表明，优化工艺参数后，可获得晶粒尺寸为1.4μm， 强度为1083MPa，HV为486的超细晶CDS W-ZrC复合材料和晶粒尺寸为0.5μm，强度为1263MPa，HV为645的超细晶W-TiC复合材料。电子束冲击实验表明，CDS W-ZrC复合材料表现出良好的抗电子束热冲击性能。这两种材料在1300℃下退火2h处理后，材料的力学性能未见明显降低。同时钨的晶粒尺寸也未见明显长大。
（4）金刚石/硅铜热沉材料的研究
为提高面向等离子体模块的导热性，课题组又提出和设计了金刚石/硅铜热沉材料，研究了真空热压烧结和SPS烧结工艺。制备的热沉材料试样热导率达到了465W/㎡K。
二 应用前景
钨基面向等离子体偏滤器材料不仅可用于核聚变领域，而且可用于航空航天和其他军工、民用领域耐高温等离子体冲刷部件。而且由于本项目的有关技术在解决高温陶瓷和金属、合金结合与焊接这一世界性难题上取得了突破，在工业上有广泛的应用前景。
来源:科技成果管理与研究 2009第12期
