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面向核聚變應用鎢基材料的制備與關鍵性能 版權信息
- ISBN：9787030680877
- 條形碼：9787030680877 ; 978-7-03-068087-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
面向核聚變應用鎢基材料的制備與關鍵性能 本書特色
適讀人群 ：從事聚變裝置設計和制造、核材料等研究相關領域的學者及技術人員、高等院校師生、企業工程技術及管理人員等適用于從事材料研發及聚變堆設計的科研技術人員
面向核聚變應用鎢基材料的制備與關鍵性能 內容簡介
核聚變能作為一種清潔且取之不盡的能源，被認為是有效解決未來能源問題的主要途徑之一。而在實際聚變反應過程中，面向等離子體材料需要面臨極其嚴苛和惡劣的環境。鎢基材料由于其高熔點、高熱導率、低熱膨脹系數、低氚滯留等優點被看作是未來核聚變反應堆中很可能全面使用的面向等離子體材料。然而鎢基材料作為高原子序數材料仍存在雜質容忍度低、低溫脆性、再結晶脆性和中子輻射脆化等性能方面的不足。如若應用與工程核聚變反應堆中，必須提升鎢基復合材料的相關性能。本書旨在通過合金化、彌散強化、復合摻雜強化、纖維增韌強化等方法在一定程度上改善鎢基材料的組織結構,并對鎢基復合材料的材料成分、制備方法等體系設計做一些有益的探索,為提高鎢基復合材料的綜合性能、擴大鎢基復合材料用途和聚變材料應用奠定基礎。
面向核聚變應用鎢基材料的制備與關鍵性能 目錄
目錄
前言
第1章 面向核聚變應用鎢基材料 1
1.1 聚變堆服役條件及參數需求 1
1.1.1 聚變堆工作條件及設計參數 1
1.1.2 面向等離子體材料服役條件及性能要求 3
1.1.3 面向等離子體材料的探求及選取 4
1.2 面向等離子體鎢基材料體系設計與強韌化途徑 5
1.2.1 彌散強化鎢基材料 6
1.2.2 合金元素強化鎢基材料 13
1.2.3 纖維增韌強化鎢基材料 16
1.3 鎢基復合材料的制備 17
1.3.1 鎢基復合粉體的制備 17
1.3.2 鎢基材料燒結工藝 19
1.4 鎢基材料高溫服役再結晶行為 21
1.4.1 回復、再結晶與織構演變 21
1.4.2 再結晶對面向等離子體鎢基材料組織性能影響 23
1.4.3 鎢基材料再結晶過程演化 25
參考文獻 26
第2章 Y2O3/TiC摻雜鎢基復合材料的制備及性能 34
2.1 W-Y2O3復合材料制備及組織結構表征 34
2.1.1 W-Y2O3復合材料制備與測試 34
2.1.2 W-Y2O3復合材料微觀結構表征 34
2.1.3 W-Y2O3復合材料力學物理特性 40
2.1.4 W-Y2O3復合材料氦離子輻照損傷行為 60
2.1.5 Y2O3摻雜對鎢基材料輻照損傷行為影響 65
2.1.6 激光熱沖擊對W-Y2O3輻照損傷行為影響 73
2.2 W-TiC-Y2O3復合材料制備及其性能 81
2.2.1 W-TiC-Y2O3復合材料制備及測試 81
2.2.2 濕化學法制備W-TiC-Y2O3復合材料的組織性能 83
2.2.3 W-TiC-Y2O3復合材料的類服役損傷行為 87
2.2.4 超細晶W-TiC-Y2O3復合材料制備與性能 93
參考文獻 103
第3章 W-Lu系復合材料制備及性能 109
3.1 W-Lu合金制備及其性能研究 109
3.1.1 W-Lu合金制備及測試 109
3.1.2 Lu 含量對W-Lu合金組織性能影響 111
3.1.3 W-Lu合金瞬態熱負荷行為 117
3.1.4 W-Lu合金氘滯留行為 125
3.2 W-Lu2O3/(Nb-C)復合材料制備與性能 128
3.2.1 W-Lu2O3/(Nb-C)復合材料制備及測試 128
3.2.2 微量元素Nb、C對W-Lu2O3復合材料性能影響 130
參考文獻 135
第4章 W-Nb系復合材料制備及性能 137
4.1 W-Nb復合材料制備及性能 137
4.1.1 W-Nb復合材料制備及測試 137
4.1.2 機械球磨時間對W-Nb合金顯微結構及性能影響 138
4.1.3 機械球磨時間對W-Nb復合材料氦輻照行為影響 146
4.1.4 氦離子輻照能量對W-Nb復合材料輻照損傷形貌影響 151
4.1.5 高溫熱處理對W-Nb復合材料氦輻照損傷機制影響 155
4.2 W-Nb/(Ti， TiC)復合材料制備及性能 159
4.2.1 W-Nb(Ti， TiC)復合材料制備 159
4.2.2 W-Nb(Ti， TiC)復合材料氘滯留測試 161
4.2.3 Nb摻雜W/TiC復合材料制備與組織特性 161
4.2.4 SPS制備W-Nb/Ti復合材料組織和輻照行為 165
參考文獻 171
第5章 W-(Zr， ZrC)/Sc2O3復合材料制備及性能 174
5.1 W-Sc2O3復合材料制備與性能 174
5.1.1 W-Sc2O3復合材料與純鎢制備 174
5.1.2 W-Sc2O3復合粉體表征 175
5.1.3 W-Sc2O3復合材料組織性能 177
5.2 W-Zr/Sc2O3復合材料制備與性能 181
5.2.1 W-Zr/Sc2O3合金制備 181
5.2.2 W-Zr/Sc2O3復合材料組織與性能 182
5.3 W-ZrC/Sc2O3復合材料組織性能及其氦輻照行為 188
5.3.1 W-ZrC/Sc2O3復合材料制備與性能 188
5.3.2 W-ZrC/Sc2O3復合粉體表征 189
5.3.3 W-ZrC/Sc2O3合金組織與性能 190
5.3.4 W-ZrC/Sc2O3復合材料氦輻照行為 194
5.4 W-(Zr， ZrC)/Sc2O3復合材料氘滯留行為 196
5.4.1 W-Zr/Sc2O3復合合金氘滯留 196
5.4.2 W-ZrC/Sc2O3復合材料氘滯留 198
5.5 W-(Zr， ZrC)/Sc2O3復合材料瞬態熱沖擊行為 202
5.5.1 不同熱源W-(Zr， ZrC)/Sc2O3瞬態熱沖擊實驗 202
5.5.2 不同熱源W-(Zr， ZrC)/Sc2O3瞬態熱沖擊損傷機制 203
參考文獻 211
第6章 W-Ti-TiN復合材料制備及性能 214
6.1 W-Ti合金制備與性能 214
6.1.1 W-Ti復合材料制備 214
6.1.2 機械球磨工藝對W-Ti合金組織和性能影響 215
6.2 TiN摻雜對鎢基復合材料顯微組織和性能影響 223
6.2.1 W-TiN復合粉體與塊體制備 223
6.2.2 W-TiN合金組織與性能 224
6.3 SPS制備TiN摻雜強化W-Ti復合材料組織性能 229
6.3.1 W-Ti-TiN復合材料制備與性能 229
6.3.2 W-Ti-TiN合金性能評定 229
6.3.3 W-Ti-TiN合金組織表征 231
6.3.4 W-Ti-TiN合金試樣氦離子輻照損傷特性 233
參考文獻 234
第7章 W-Cr系復合材料制備及性能 237
7.1 W-Cr復合材料制備與性能 237
7.1.1 W-Cr復合材料制備與性能測試 237
7.1.2 機械合金化制備W-Cr合金組織與性能 238
7.1.3 W-Cr合金抗高溫氧化性能 242
7.1.4 W-20%Cr合金氦離子輻照損傷行為 248
7.2 WSi2摻雜W-Cr合金的組織結構與高溫氧化行為 254
7.2.1 WSi2摻雜W-Cr合金制備 254
7.2.2 WSi2摻雜W-Cr合金組織結構表征 255
7.2.3 WSi2摻雜W-Cr合金高溫氧化行為 258
7.2.4 WSi2摻雜W-Cr合金高溫氧化機制 260
7.3 Ta、V、Ti元素多元摻雜W-Cr合金組織與性能 262
7.3.1 W-Cr-Ta-V-Ti難熔高熵合金制備 264
7.3.2 W-Cr-Ta-V-Ti難熔高熵合金物理特性與物相表征 264
7.3.3 W-Cr-Ta-V-Ti難熔高熵合金組織結構與力學性能 265
7.3.4 W-Cr-Ta-V-Ti難熔高熵合金熱學特性 270
參考文獻 271
第8章 面向等離子體鎢基材料再結晶行為 274
8.1 軋制純鎢高溫組織性能演化及再結晶特性 274
8.1.1 軋制純鎢制備及性能測試 274
8.1.2 軋制純鎢高溫機械性能 275
8.1.3 軋制純鎢高溫顯微組織演化 285
8.2 軋制氧化釔彌散強化鎢基材料再結晶行為 299
8.2.1 軋制W-2% Y2O3制備及性能測試 299
8.2.2 軋制WY50高溫下硬度退化行為 299
8.2.3 軋制W-2% Y2O3再結晶顯微組織演化 306
8.3 再結晶W-2% Y2O3服役行為和物理性能 317
8.3.1 W-Y2O3選定及性能測試 317
8.3.2 再結晶占比對W-Y2O3瞬態熱負荷損傷行為影響 318
8.3.3 W-Y2O3氦離子輻照損傷行為及性能演變 333
參考文獻 336
前言
第1章 面向核聚變應用鎢基材料 1
1.1 聚變堆服役條件及參數需求 1
1.1.1 聚變堆工作條件及設計參數 1
1.1.2 面向等離子體材料服役條件及性能要求 3
1.1.3 面向等離子體材料的探求及選取 4
1.2 面向等離子體鎢基材料體系設計與強韌化途徑 5
1.2.1 彌散強化鎢基材料 6
1.2.2 合金元素強化鎢基材料 13
1.2.3 纖維增韌強化鎢基材料 16
1.3 鎢基復合材料的制備 17
1.3.1 鎢基復合粉體的制備 17
1.3.2 鎢基材料燒結工藝 19
1.4 鎢基材料高溫服役再結晶行為 21
1.4.1 回復、再結晶與織構演變 21
1.4.2 再結晶對面向等離子體鎢基材料組織性能影響 23
1.4.3 鎢基材料再結晶過程演化 25
參考文獻 26
第2章 Y2O3/TiC摻雜鎢基復合材料的制備及性能 34
2.1 W-Y2O3復合材料制備及組織結構表征 34
2.1.1 W-Y2O3復合材料制備與測試 34
2.1.2 W-Y2O3復合材料微觀結構表征 34
2.1.3 W-Y2O3復合材料力學物理特性 40
2.1.4 W-Y2O3復合材料氦離子輻照損傷行為 60
2.1.5 Y2O3摻雜對鎢基材料輻照損傷行為影響 65
2.1.6 激光熱沖擊對W-Y2O3輻照損傷行為影響 73
2.2 W-TiC-Y2O3復合材料制備及其性能 81
2.2.1 W-TiC-Y2O3復合材料制備及測試 81
2.2.2 濕化學法制備W-TiC-Y2O3復合材料的組織性能 83
2.2.3 W-TiC-Y2O3復合材料的類服役損傷行為 87
2.2.4 超細晶W-TiC-Y2O3復合材料制備與性能 93
參考文獻 103
第3章 W-Lu系復合材料制備及性能 109
3.1 W-Lu合金制備及其性能研究 109
3.1.1 W-Lu合金制備及測試 109
3.1.2 Lu 含量對W-Lu合金組織性能影響 111
3.1.3 W-Lu合金瞬態熱負荷行為 117
3.1.4 W-Lu合金氘滯留行為 125
3.2 W-Lu2O3/(Nb-C)復合材料制備與性能 128
3.2.1 W-Lu2O3/(Nb-C)復合材料制備及測試 128
3.2.2 微量元素Nb、C對W-Lu2O3復合材料性能影響 130
參考文獻 135
第4章 W-Nb系復合材料制備及性能 137
4.1 W-Nb復合材料制備及性能 137
4.1.1 W-Nb復合材料制備及測試 137
4.1.2 機械球磨時間對W-Nb合金顯微結構及性能影響 138
4.1.3 機械球磨時間對W-Nb復合材料氦輻照行為影響 146
4.1.4 氦離子輻照能量對W-Nb復合材料輻照損傷形貌影響 151
4.1.5 高溫熱處理對W-Nb復合材料氦輻照損傷機制影響 155
4.2 W-Nb/(Ti， TiC)復合材料制備及性能 159
4.2.1 W-Nb(Ti， TiC)復合材料制備 159
4.2.2 W-Nb(Ti， TiC)復合材料氘滯留測試 161
4.2.3 Nb摻雜W/TiC復合材料制備與組織特性 161
4.2.4 SPS制備W-Nb/Ti復合材料組織和輻照行為 165
參考文獻 171
第5章 W-(Zr， ZrC)/Sc2O3復合材料制備及性能 174
5.1 W-Sc2O3復合材料制備與性能 174
5.1.1 W-Sc2O3復合材料與純鎢制備 174
5.1.2 W-Sc2O3復合粉體表征 175
5.1.3 W-Sc2O3復合材料組織性能 177
5.2 W-Zr/Sc2O3復合材料制備與性能 181
5.2.1 W-Zr/Sc2O3合金制備 181
5.2.2 W-Zr/Sc2O3復合材料組織與性能 182
5.3 W-ZrC/Sc2O3復合材料組織性能及其氦輻照行為 188
5.3.1 W-ZrC/Sc2O3復合材料制備與性能 188
5.3.2 W-ZrC/Sc2O3復合粉體表征 189
5.3.3 W-ZrC/Sc2O3合金組織與性能 190
5.3.4 W-ZrC/Sc2O3復合材料氦輻照行為 194
5.4 W-(Zr， ZrC)/Sc2O3復合材料氘滯留行為 196
5.4.1 W-Zr/Sc2O3復合合金氘滯留 196
5.4.2 W-ZrC/Sc2O3復合材料氘滯留 198
5.5 W-(Zr， ZrC)/Sc2O3復合材料瞬態熱沖擊行為 202
5.5.1 不同熱源W-(Zr， ZrC)/Sc2O3瞬態熱沖擊實驗 202
5.5.2 不同熱源W-(Zr， ZrC)/Sc2O3瞬態熱沖擊損傷機制 203
參考文獻 211
第6章 W-Ti-TiN復合材料制備及性能 214
6.1 W-Ti合金制備與性能 214
6.1.1 W-Ti復合材料制備 214
6.1.2 機械球磨工藝對W-Ti合金組織和性能影響 215
6.2 TiN摻雜對鎢基復合材料顯微組織和性能影響 223
6.2.1 W-TiN復合粉體與塊體制備 223
6.2.2 W-TiN合金組織與性能 224
6.3 SPS制備TiN摻雜強化W-Ti復合材料組織性能 229
6.3.1 W-Ti-TiN復合材料制備與性能 229
6.3.2 W-Ti-TiN合金性能評定 229
6.3.3 W-Ti-TiN合金組織表征 231
6.3.4 W-Ti-TiN合金試樣氦離子輻照損傷特性 233
參考文獻 234
第7章 W-Cr系復合材料制備及性能 237
7.1 W-Cr復合材料制備與性能 237
7.1.1 W-Cr復合材料制備與性能測試 237
7.1.2 機械合金化制備W-Cr合金組織與性能 238
7.1.3 W-Cr合金抗高溫氧化性能 242
7.1.4 W-20%Cr合金氦離子輻照損傷行為 248
7.2 WSi2摻雜W-Cr合金的組織結構與高溫氧化行為 254
7.2.1 WSi2摻雜W-Cr合金制備 254
7.2.2 WSi2摻雜W-Cr合金組織結構表征 255
7.2.3 WSi2摻雜W-Cr合金高溫氧化行為 258
7.2.4 WSi2摻雜W-Cr合金高溫氧化機制 260
7.3 Ta、V、Ti元素多元摻雜W-Cr合金組織與性能 262
7.3.1 W-Cr-Ta-V-Ti難熔高熵合金制備 264
7.3.2 W-Cr-Ta-V-Ti難熔高熵合金物理特性與物相表征 264
7.3.3 W-Cr-Ta-V-Ti難熔高熵合金組織結構與力學性能 265
7.3.4 W-Cr-Ta-V-Ti難熔高熵合金熱學特性 270
參考文獻 271
第8章 面向等離子體鎢基材料再結晶行為 274
8.1 軋制純鎢高溫組織性能演化及再結晶特性 274
8.1.1 軋制純鎢制備及性能測試 274
8.1.2 軋制純鎢高溫機械性能 275
8.1.3 軋制純鎢高溫顯微組織演化 285
8.2 軋制氧化釔彌散強化鎢基材料再結晶行為 299
8.2.1 軋制W-2% Y2O3制備及性能測試 299
8.2.2 軋制WY50高溫下硬度退化行為 299
8.2.3 軋制W-2% Y2O3再結晶顯微組織演化 306
8.3 再結晶W-2% Y2O3服役行為和物理性能 317
8.3.1 W-Y2O3選定及性能測試 317
8.3.2 再結晶占比對W-Y2O3瞬態熱負荷損傷行為影響 318
8.3.3 W-Y2O3氦離子輻照損傷行為及性能演變 333
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面向核聚變應用鎢基材料的制備與關鍵性能 節選
第1章 面向核聚變應用鎢基材料 隨著社會進步和科技發展，人們對于綠色出行、能源利用、環境保護和健康生活的期盼日益增高。由此，能源革命應運而生，對現有的化石能源提出環保高效利用，同時不斷開發新能源技術如太陽能、風能、核能等。有效利用這些新的清潔能源不僅可以避免生態環境的進一步惡化，也可大大減少碳排放。特別是使用核能發電，不僅不會向大氣排放巨量的污染物質和二氧化碳，更不會造成空氣污染與溫室效應，是可持續促進社會發展、生產穩定運行的能源方案。核聚變能更是作為下一代清潔能源的代表，其聚變所產生能量可高于同質量化石燃料的上百萬倍，且燃料自身成本占比較低，安全可控，對于節能并減少碳的排放意義尤顯重要。 1.1 聚變堆服役條件及參數需求 聚變堆裝置大多采用由俄羅斯科學家提出的磁約束托卡馬克 (Tokamak)設計，即在環形真空室中通電情況下利用強螺旋形磁場約束高溫等離子體。作為潛在能源，聚變能有可能成為能夠在不損害環境情況下提供連續大規模電力的可持續能源。為此，聚變能作為新型可再生能源受到國際社會的廣泛關注，幾個大型國際合作項目均著眼于聚變反應堆相關研究，典型的有美國建設的托卡馬克裝置 TFTR(Tokamak fusion test reactor，托卡馬克聚變試驗反應堆 )，歐洲聯合建設的 JET(Joint European Torus，歐洲聯合環 )裝置及日本的 JT-60U裝置。為了驗證和平利用核聚變能發電的科學和工程技術可行性，國際熱核聚變實驗堆 (International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)計劃經過多國聯合得以啟動 [1]，這是目前世界上僅次于國際空間站的國際重大科學工程計劃，中國積極參與其中，承擔了包括線圈在內的多個采購包任務，為 ITER裝置建造提供了必要的人力物力。我國計劃建造的中國聚變工程實驗堆 (China Fusion Engineering Test Reactor，CFETR)也在積極準備 [2]，基礎研究、工程化驗證和裝備部件研發等均在同步進行。 1.1.1 聚變堆工作條件及設計參數 針對裝置的整個系統，直接面對等離子體的材料承受工況條件*為嚴苛，一般稱為面向等離子體材料 (plasma facing materials，PFMs)，其應用在與等離子體具有廣泛接觸的**壁及在真空室下部*容易受到轟擊的偏濾器部位。偏濾器負責排除氦灰、雜質及等離子體邊界區域產生的熱量。由于偏濾器位于磁場線的交叉點，將遭受低能量 (約 100 eV)、高通量(約 1019～1020 cm2/s)氫氦等離子體的打擊進而影響整個設備運行 [3]。此外，偏濾器由于等離子體破裂也將承受遠超于 10 mW/m2的熱負荷 [4]。因此， PFMs不但需要耐受高熱負荷，還要承受高通量低能離子輻照及中性粒子照射，更需抵抗高能中子輻照等嚴苛服役條件 [5]。截至目前，能夠完全滿足上述條件的材料尚未找到，不過多國研究者對 PFMs進行了大量的探索工作，業已取得一定程度的進展。圖1.1為 ITER裝置的結構示意圖，相關設計參數如表1.1所示。 圖1.1 ITER裝置結構示意圖[2] 表1.1 ITER裝置設計參數 [4] 1.1.2 面向等離子體材料服役條件及性能要求 由于受控核聚變與太陽釋放熱量的原理基本一致，受控核聚變也被稱為“人造太陽”，相當于把太陽放入盒子里，那么如何制作這個盒子以及與等離子體有何交互作用也成為重要課題 [5]。過往研究中人們認識到，要促成聚變能的成功應用，其運行過程中所涉及的材料問題與等離子體約束問題同樣重要。毋庸置疑，現階段許多工程和技術問題，特別是磁約束聚變反應堆潛在核物理以及等離子體問題亟待解決，但如果聚變裝置部件不能承受并抵抗等離子體運行時的極端服役條件，聚變能商業運用只能是紙上談兵。因此，探索并制備出能夠勝任極端服役條件的高性能材料，探究等離子體與材料交互作用及其所導致的材料結構特性變化亦是重中之重 [6]。 PFMs的主要作用是防止雜質進入等離子體進而污染等離子體內部環境，快速地將等離子體輻射產生熱量傳輸出去，并防止瞬態事件發生時所導致的其他部件損傷進而危及人身及設備安全。核聚變的反應原理如下： (1.1) 其中，中子攜帶能量高達 14.1 MeV，產生 α粒子攜帶能量也達到 3.5 MeV[7]。 因此，聚變反應進行中將產生高于 10～20 MW/m2的熱負荷、1.1020～ 1.1024 m.2/s的高能 H、He等離子體通量以及高達 14 MeV的中子輻照，此外，PFMs還不可避免地遭受各種逃逸粒子的碰撞。特別是在各種穩態及瞬態事件的作用下，材料的損傷情況將變得更加嚴重。PFMs與等離子體之間的交互作用如圖1.2所示[8]。 圖1.2 面向等離子體材料與等離子體之間交互作用 [8] SOL：邊界刮削層 (*后閉合磁場和**壁材料表面區域 ) 這就要求 PFMs具備極為優異的傳熱及抗輻照特性，具體的要求如下： (1)為了熱量的傳輸，材料的導熱性能、熔點及抗熱負荷性能應十分優異； (2)為了降低雜質對聚變反應的干擾以及確保反應原料和產物情況，材料應具有低的濺射產額，也就是說應盡量減少聚變反應進行時材料的物理濺射、化學濺射及輻照增強引發升華等現象所造成的雜質數量； (3)為了保證聚變反應正向進行，材料對于氫同位素的滯留應較低； (4) 基于放射性考量，材料應具有低的放射性，也就是材料應是低活性材料 [5]。 1.1.3 面向等離子體材料的探求及選取 PFMs承受的是一種極端惡劣的環境，因此尋求及設計能夠滿足實際服役條件的 PFMs成為 ITER裝置能否正常運行中不可忽視的關鍵要素。 PFMs選取可分為低原子序數 (低Z)和高原子序數 (高Z)材料。低 Z材料包括石墨、硼、鋰和鈹等，可以有效減少雜質對等離子體穩定性的影響；如果邊緣等離子體溫度足夠低，使得等離子體不易受到 PFMs濺射產額的影響時，就可使用高 Z難熔金屬或合金，比如鉬和鎢等。目前備受關注的 PFMs候選材料主要有碳基材料 (石墨、 C/C復合材料)、鈹、鎢和鎢基復合材料等，表1.2中展示了幾種熱門候選材料在 600℃下的基本特性 [9]。 表1.2 幾種面向等離子體材料在 873K下的基本性能 [9] 由表1.2可見，各種熱門候選 PFMs的性能各有優劣。以碳基材料為例，碳基材料中碳元素原子序數很低，具有良好的導熱性能、高熔點、很好的抗熱負荷沖擊能力和無毒性，并可以在高溫下保持較高強度，且與等離子體相容性較好，以及對 ITER裝置中異常狀態的承受能力較高 [10]。但是，研究人員也發現，在實際應用中碳材料在性能上存在著幾個致命弱點，例如：具有較高的濺射速率，滯留氫同位素較多；經中子輻照后容易脆化且韌度和熱導性能快速減低等。 另一熱門候選材料如鈹 (Be)，其原子序數低、彈性模量高、抗氧化能力強、導熱性能優異。同時氫同位素在鈹中的滯留量及溶解度都很低。不過實際服役中，中子輻照會導致晶體結構較大改變進而會產生大量的嬗變產物 (He與 H同位素)，進而導致 Be的膨脹，從而影響 Be的相關熱力學性能。同時， Be熔點也比較低，抗熱負荷損傷的能力有限并且毒性很強。目前，世界范圍內已探明的金屬鈹的資源儲備超出 80 000 t，并且一些鈹礦石由于其含量過低而不可能應用于核反應堆裝置中。所以相對其他材料而言，鈹較為稀少，這一點也限制了其的廣泛使用[11]。近些年來，人們將更多關注點轉向鎢基材料。由于鎢 (W)具有高原子序數、低蒸氣壓、低熱膨脹率、高強度和低的氫及同位素滯留率等優異特性，已經被認作核聚變應用中*有前景的面向**壁候選材料。 在核反應堆極端環境下，鎢基合金可以抵抗輻射損傷，保持固有力學性能和結構強度。證實了相較于低 Z材料，作為高 Z材料代表的鎢基材料，其使用周期更長。對上述各 PFMs在實際服役時的優劣性能特征進行了總結，如表1.3所示[12]。 表1.3 面向等離子體**壁材料的主要優勢與不足 1.2 面向等離子體鎢基材料體系設計與強韌化途徑 雖然鎢基合金具有許多優異性能，但在熱核聚變裝置的實際應用中仍然存在著若干問題，有諸多缺陷，如室溫脆性、輻照敏感性及高溫氧化嚴重 [12]。在冷卻劑失效的情況下，由于核衰變熱的作用，幾十天內核聚變反應堆**壁的溫度將會升高到 1450 K。此時空氣進入，大量的鎢將會快速氧化形成氧化鎢。當溫度達到 1300 K時，這種氧化反應幾乎以揮發的形式進行，這對聚變堆的安全性提出了嚴峻挑戰。此外，對于核能源領域應用而言，鎢基材料高的韌 -脆轉變溫度 (ductile-brittle transition temperature，DBTT)限制了其作為結構材料的更加廣泛的應用。粉末冶金生產過程中，雜質元素在晶界及殘留孔隙處的偏聚行為都會導致鎢的晶間脆化。高能離子注入會在鎢表面誘導產生嚴重的輻照損傷，這會在材料表面形成絨毛狀 (fuzz)結構，而且還會在內壁表面上形成氣泡從而造成其形態的改變，這些都可能造成等離子體核心的污染 [13]。因此，需要通過成分調控和工藝優化等手段來改善鎢基材料的服役性能。 具體來說，在成分設計方面，通常采用合金化、彌散強化以及復合強化等方式提升鎢基材料特性，主要強化手段有：在 W 中加入合金元素以起到固溶強化效果；或者在 W 中均勻加入少量細小碳化物或稀土氧化物形成彌散強化；此外，還可以同時添加多種元素達到復合強化效果 [14]。在工藝優化方面，采用機械合金化或液相摻雜制備 W 基復合粉體，然后通過放電等離子體燒結或熱壓燒結對復合粉末進行致密化，制備 W基復合材料塊體；還可以對 W基復合材料塊體采用塑性變形加工(軋制、擠壓等 )獲得高致密度、機械性能優異的超細晶 /納米晶 W材料。 1.2.1 彌散強化鎢基材料 彌散強化確實是實現鎢基材料強韌化的主要手段，也能盡可能保證鎢基材料的高溫性能和抗蠕變強度。作者以往研究多側重于通過向 W 中加入碳化物和稀土氧化物以實現鎢基材料的強韌化。 1.2.1.1 稀土氧化物彌散強化鎢基材料 稀土氧化物 (La2O3、Y2O3、CeO2和 ThO2等)因其高熔點、優良的熱穩定性和化學性質穩定等優點，被廣泛地添加在 W 中以改善其綜合性能 [15， 16]。這些彌散分布的稀土氧化物能夠阻礙晶界遷移、抑制燒結及服役過程中晶粒的長大，從而有效降低 DBTT并能同時提高再結晶溫度，改善材料的高溫強度和塑性韌性。對于上述稀土氧化物摻雜的研究以 La2O3及 Y2O3*為普遍。 作者[17]采用機械球磨結合熱等靜壓制備了 W-1% La2O3復合材料 ①，發現晶粒顯著細化 (圖1.3)，抗彎強度值為 475 MPa，在相同密度條件下比純 W燒結體高約 35%。通過斷口分析發現，經過彌散強化的 W-1% La2O3也從單一的沿晶斷裂轉變為沿晶和穿晶復合斷裂模式。同時，W-1% La2O3復合材料具有良好的熱負荷性能 [18]，如圖1.4所示，在承受 3 MW/m2的能量密度沉積后，表面只出現微小的裂紋，并無明顯失效。另外，作者發現 W-La2O3復合材料具有良好的抗燒蝕性能[19]。在 5 MW/m2電子束熱通量密度輻照條件下， W-1% La2O3復合材料樣品表面層下方十幾微米的深度發生了約十次熔化，基體微觀組織基本保持不變，燒蝕率較低且變化不大；但是隨著入射電子束熱通量密度的增大，材料的抗燒蝕性能下降，燒蝕率逐漸增大。當熱通量密度為 8 MW/m2時，質量燒蝕率 ①本書中，未特殊說明時，復合材料中含量均指質量分數。
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