實現(xiàn)鎢基材料增韌的重要途徑

使用在熱核聚變堆裝置中的面向等離子體材料必須具有良好的導(dǎo)熱率、抗熱沖擊性、低濺射產(chǎn)額、低放射性、低蒸汽壓及高熔點(diǎn)等性能，鎢材料由于其高熔點(diǎn)、低濺射產(chǎn)額、不與氫反應(yīng)、低的氚滯留等優(yōu)點(diǎn)被材料界認(rèn)為是最合適選用的面向等離子體材料。然而鎢材料韌塑性不足的缺點(diǎn)亟待克服。

利用晶粒細(xì)化、彌散強(qiáng)化等方法在一定程度上可以提高鎢基材料的塑韌性，但研究表明，用纖維作增強(qiáng)體來提高其塑韌性是一個主要途徑。纖維增韌鎢基材料的機(jī)理有以下幾個方面：1) 在擴(kuò)展裂紋尖端應(yīng)力場中的纖維會導(dǎo)致裂紋發(fā)生彎曲和偏轉(zhuǎn)，從而干擾應(yīng)力場，導(dǎo)致基體的應(yīng)力強(qiáng)度降低，起到阻礙裂紋擴(kuò)展的作用。裂紋發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，裂紋會繞著纖維發(fā)生傾斜偏轉(zhuǎn)或扭轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)后裂紋受的拉應(yīng)力往往低于偏轉(zhuǎn)前，而且裂紋的擴(kuò)展路徑增長，裂紋擴(kuò)展時所消耗的能量更多，因而起到增韌作用。隨著纖維長徑比的增大和纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，裂紋彎曲增韌效果增強(qiáng)。2) 靠近裂紋尖端的纖維在外應(yīng)力作用下沿著它和基體的界面滑出，會使裂紋尖端應(yīng)力松弛，從而減緩裂紋的擴(kuò)展；同時，纖維的拔出首先需要發(fā)生脫粘，纖維脫粘需提供新的表面能，拔出本身也需要外力做功。3) 對于特定位向和分布的纖維，裂紋很難偏轉(zhuǎn)，只能沿著原來的擴(kuò)展方向繼續(xù)擴(kuò)展，這時緊靠裂紋尖端處的纖維并未斷裂，而是在裂紋兩岸搭起小橋，使兩岸連在一起，這會在裂紋表面產(chǎn)生一個壓應(yīng)力，以抵消外加拉應(yīng)力的作用，從而使裂紋難以進(jìn)一步擴(kuò)展。這種現(xiàn)象稱為“纖維橋接”。隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展的阻力增加，直到在裂紋尖端形成一定數(shù)量的纖維搭橋區(qū)，達(dá)到穩(wěn)態(tài)韌化。4) 由于纖維的斷裂韌性比基體的斷裂韌性大，基體中產(chǎn)生的裂紋垂直于界面擴(kuò)展至纖維，被纖維阻止甚至閉合，阻止了裂紋的擴(kuò)展。

根據(jù)現(xiàn)有研究成果，適用的纖維種類主要有碳纖維，陶瓷纖維和金屬纖維。碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗化學(xué)腐蝕、高導(dǎo)熱、低熱膨脹系數(shù)、耐化學(xué)輻射等優(yōu)點(diǎn)，此外還具有柔順和可編性，比強(qiáng)度和比模量也優(yōu)于其他無機(jī)纖維。然而，碳纖維耐沖擊性能較差，易損傷，在強(qiáng)酸作用下會發(fā)生氧化，與金屬復(fù)合時會發(fā)生金屬碳化、滲碳及電化學(xué)腐蝕等現(xiàn)象。因此，碳纖維在使用前須進(jìn)行表面處理。陶瓷纖維（如碳化硅）具有密度小、耐高溫、熱穩(wěn)定性好、導(dǎo)熱率低、比熱小及耐機(jī)械震動等優(yōu)點(diǎn)，但卻存在致命的弱點(diǎn)即脆性，同時在高溫下可能發(fā)生粉化現(xiàn)象，限制了其廣泛應(yīng)用。金屬纖維要選擇高密度、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、性能穩(wěn)定性好等特點(diǎn)的金屬材料，主要有超細(xì)鎢絲，鎢納米線。但目前制備鎢纖維的方法大多條件苛刻，工序繁雜。