近期，中科院合肥物质科学研究院固体物理所内耗与固体缺陷实验室方前锋课题组在钨基材料和氧化物弥散强化（ODS）铁素体钢的制备和性能表征研究方面取得新进展。研究人员连续在核材料领域的主流期刊《核材料期刊》（Journal of Nuclear Materials）上发表4篇学术论文。

 

钨基材料由于具有高熔点、高溅射阈值、低氚滞留、低热膨胀系数等优点，成为国际热核聚变堆最有希望的候选壁材料，但同时，纯钨存在室温脆性、再结晶脆化以及辐照脆化等缺点，影响了其使用。有理论计算及实验研究表明，纳米材料由于具有大量晶界，可以吸收辐照产生的点缺陷，具有更好的抗辐照性能，并因此改善其脆性。因此，课题组研究人员利用微波烧结技术的升温速率快、烧结时间短等优点，在较低温度（1500oC）短时间（30min）即实现了钨的致密化，纯钨材料的相对密度高达95-97%，热导率达到156 W/m K，但平均粒径较大，为3.2 μm。为了提高致密度，在钨中添加1wt%的Ni，可以在1450oC烧结5分钟就制得全致密的钨材料，热导率达到130 W/m K，但钨晶粒粗大，达到了15 µm。为了细化晶粒及提高钨的高温性能，研究人员在钨中添加1wt%高熔点的纳米氧化物（如La2O3、Y2O3等），制备了高致密且晶粒细小的氧化物弥散钨基材料（ODS-W，如图1所示）。其中Y2O3纳米颗粒弥散的钨材料在细化晶粒、致密化以及强化方面的效果最好，其平均粒径为0.7μm，致密度为97%，热导率达到130 W/m K，硬度比纯钨提高30%以上。

 

纳米氧化物的添加，可以有效限制高温下钨晶界的移动，从而抑制钨晶粒的长大。钨基材料的相关研究为提高钨的再结晶温度、高温力学性能以及抗辐照性能奠定了很好的基础。

 

此外，方前锋课题组在钨铜功能梯度材料研究方面也取得一定进展，利用纯钨和纯铜的微米粉体并采用微波烧结法成功制备出了致密的钨/铜梯度材料（共5层），富铜层的相对密度达到99%以上，铜包覆钨形成网状结构，而纯钨层的相对密度也达到了93%，其室温热导率达到210W/mK，远高于纯钨的热导率。

 

随着第四代反应堆和聚变堆的发展，对结构材料提出更高的性能要求，如高的抗辐照性能、蠕变性能、耐腐蚀性能等。氧化物弥散强化（ODS）铁素体钢作为一种新的结构材料，可以满足更高的使用温度（~1000℃）的要求。对此，课题组研究人员首次采用溶胶凝胶-还原的方法制备钢合金粉体，利用放电等离子烧结炉（SPS）成功制备了直径为50mm的14Cr-ODS钢块样品（200g）。其中，平均粒径为55 nm、粒子数密度为3.2×1019 m-3 的氧化物Y2Ti2O7颗粒均匀分散在钢的基体中（如图2所示）。其室温抗拉强度达到1070MPa，均匀伸长率15%，达到了国内先进水平。

 

此研究工作得到了ITER国内配套专项、国家自然科学基金、中科院知识创新工程和核能先导专项的支持。（来源：中科院合肥物质科学研究院）

 

 

 

 

 

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