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实现钨基材料增韧的重要途径

2017-11-07 14:29 来源:中国联合钢铁网
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使用在热核聚变堆装置中的面向等离子体材料必须具有良好的导热率、抗热冲击性、低溅射产额、低放射性、低蒸汽压及高熔点等性能,钨材料由于其高熔点、低溅射产额、不与氢反应、低的氚滞留等优点被材料界认为是最合适选用的面向等离子体材料。然而钨材料韧塑性不足的缺点亟待克服。 利用晶粒细化、弥散强化等方法在一定程度上可以提高钨基材料的塑韧性,但研究表明,用纤维作增强体来提高其塑韧性是一个主要途径。纤维增韧钨基材料的机理有以下几个方面:(1)在扩展裂纹尖端应力场中的纤维会导致裂纹发生弯曲和偏转,从而干扰应力场,导致基体的应力强度降低,起到阻碍裂纹扩展的作用。裂纹发生偏转时,裂纹会绕着纤维发生倾斜偏转或扭转偏转,偏转后裂纹受的拉应力往往低于偏转前,而且裂纹的扩展路径增长,裂纹扩展时所消耗的能量更多,因而起到增韧作用。随着纤维长径比的增大和纤维体积分数的增加,裂纹弯曲增韧效果增强。(2)靠近裂纹尖端的纤维在外应力作用下沿着它和基体的界面滑出,会使裂纹尖端应力松弛,从而减缓裂纹的扩展;同时,纤维的拔出首先需要发生脱粘,纤维脱粘需提供新的表面能,拔出本身也需要外力做功。(3)对于特定位向和分布的纤维,裂纹很难偏转,只能沿着原来的扩展方向继续扩展,这时紧靠裂纹尖端处的纤维并未断裂,而是在裂纹两岸搭起小桥,使两岸连在一起,这会在裂纹表面产生一个压应力,以抵消外加拉应力的作用,从而使裂纹难以进一步扩展。这种现象称为“纤维桥接”。随着裂纹的扩展,裂纹扩展的阻力增加,直到在裂纹尖端形成一定数量的纤维搭桥区,达到稳态韧化。(4)由于纤维的断裂韧性比基体的断裂韧性大,基体中产生的裂纹垂直于界面扩展至纤维,被纤维阻止甚至闭合,阻止了裂纹的扩展。 根据现有研究成果,适用的纤维种类主要有碳纤维,陶瓷纤维和金属纤维。碳纤维具有高强度、高模量、耐高温、抗化学腐蚀、高导热、低热膨胀系数、耐化学辐射等优点,此外还具有柔顺和可编性,比强度和比模量也优于其他无机纤维。然而,碳纤维耐冲击性能较差,易损伤,在强酸作用下会发生氧化,与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀等现象。因此,碳纤维在使用前须进行表面处理。陶瓷纤维(如碳化硅)具有密度小、耐高温、热稳定性好、导热率低、比热小及耐机械震动等优点,但却存在致命的弱点即脆性,同时在高温下可能发生粉化现象,限制了其广泛应用。金属纤维要选择高密度、高熔点、高强度、性能稳定性好等特点的金属材料,主要有超细钨丝,钨纳米线。但目前制备钨纤维的方法大多条件苛刻,工序繁杂。

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