面向聚变堆应用的金刚石复合钨基材料的制备和组织性能研究

【摘要】：钨及钨基复合材料因具有耐高温、高强度以及低溅射率等优良性能在热核聚变面向等离子体部件材料中受到高度重视,如用钨作为第一壁材料,W-Cu作为连接材料等。上述应用中,对材料的热性能提出了很高的要求。利用金刚石(Diamond,简称D)优异的导热性能制备金刚石/铜基、银基复合材料已获得了成功应用。但是金刚石的热稳定性存在一定的不足,在面向等离子体部件应用的钨及钨基材料中引入金刚石的可行性,及其对材料的组织性能影响的研究相对较少。本博士论文尝试在相关钨基材料中加入金刚石,开展金刚石/钨、金刚石/W-Cu等复合材料的制备、组织结构和性能的研究,以改善和提高面向等离子体部件的热性能。全文主要研究内容和结论如下:(1)由于金刚石与金属的结合界面对金刚石/金属基复合材料的性能有明显的影响,论文首先采用微波加热盐浴镀(MHSBP)方法对金刚石颗粒表面镀钨和钛。结果显示采用MHSBP方法在1200℃下保温20 min可在金刚石颗粒表面形成W镀层,在W镀层和金刚石间形成WC、W_2C中间层,镀层总厚度约200 nm,镀层表面起伏峰值达670 nm,镀层与金刚石结合紧密。采用MHSBP方法在850℃下保温20 min可在金刚石表面获得完整致密的钛镀层,而采用常规盐浴镀覆方法在900℃下保温120 min才获得表面相对完整的钛镀层。(2)传统化学镀铜需要使用贵金属钯等作活化剂,本论文发展了一种新颖的钨镀层敏化活化(TCSAEP)方法实现金刚石颗粒表面化学镀铜。结果表明,60℃、Cu SO_4·5H_2O浓度19.6 g/L时,MHSBP方法所得镀钨金刚石表面可直接进行化学镀铜,镀层成分由金刚石向外依次为WC、W_2C、W和Cu。920℃微波烧结制备的镀铜金刚石/铜复合材料相对密度和热导率分别达到98.8%和522 W/(m·K),明显优于相同条件制备的未镀金刚石/铜复合材料的相对应性能(92.3%、265W/(m·K))。(3)采用MHSBP方法所得镀钨金刚石颗粒以及化学镀所得W-Cu复合粉体为原料,通过微波烧结制得金刚石/W-30Cu复合材料。结果显示镀钨金刚石含量为4 wt.%时,金刚石/W-30Cu复合材料热导率达到最高值239.56 W/(m·K),比未添加金刚石颗粒的W-30Cu复合材料的热导率高出近17%。理论计算得出镀钨金刚石/W-30Cu复合材料中镀钨金刚石和W-Cu间总界面热阻为2.08×10~(-8)m~2·K/W,远低于未镀金刚石与W-Cu间的界面热阻(7491×10~(-8)m~2·K/W)。(4)基于面向等离子体部件的服役环境,设计出在W-Cu功能梯度材料(FGM)(W-10Cu/W-20Cu/W-30Cu/W-40Cu)的W-40Cu层中添加5 wt.%的镀钨金刚石并通过微波烧结制备金刚石/W-Cu FGM。实验结果表明,1200℃微波烧结30 min所得镀钨金刚石/W-Cu FGM相对密度为94.66%。以W-40Cu-5Diamond面为受压面时金刚石/W-Cu FGM抗弯强度为550.5 MPa,比W-Cu FGM的抗弯强度(730.5MPa)有所降低,但是镀钨金刚石/W-Cu FGM的热导率达到220.38 W/(m·K),高于相同条件下制备的W-Cu FGM的热导率(209.63 W/(m·K))。经功率密度为0.64GW/m~2的激光热冲击后金刚石/W-Cu FGM整体结构保持稳定。(5)由于金刚石在高温下的稳定性存在一定不足,本文尝试采用放电等离子烧结(SPS)制备金刚石/钨复合材料。结果发现,1600℃经SPS快速烧结3 min制备的5 wt.%未镀金刚石/钨复合材料的密度、热扩散系数和热导率分别为14.69g/cm~3、80.86 m~2/s和180.55 W/(m·K)。相比之下,镀钨金刚石/钨界面结合更加紧密,其相对应性能分别提升到15.13 g/cm~3、85.16 m~2/s和192.91 W/(m·K)。经总通量为4×10~(22) ions/m~2的氦离子辐照后,镀钨金刚石/钨复合材料中金刚石被破坏,证实了本论文将金刚石颗粒引入纯铜和W-Cu FGM高铜区域的合理性。