近年来，核聚变反应装置中的面向等离子体材料（Plasma facing materials, PFM）力学性能不足，难以满足核聚变反应装置的稳定长久运行。钨及钨合金具有高熔点、高热导率、低溅射率、低燃料滞留等特点被选为JET、ITER等核聚变实验堆的面向等离子体材料，但是其较高的韧脆转变温度以及抵抗辐照损伤能力的不足限制了其在新一代聚变工程堆中的应用。在过去的研究中，欧洲科研人员引入了长纤维增强陶瓷基复合材料中的“伪韧性”概念，通过化学沉积的方法制备出了钨纤维增强钨基复合材料。相比于传统钨基材料，该材料具有无可比拟的塑韧性和耐中子辐照性能，具备较大的工程应用潜力。
基于此，近日，中核集团核工业西南物理研究院都娟研究员在我中心承建的国家重大科技基础设施“综合极端条件实验装置—高温高压大体积材料研究系统”展开系统实验和攻关，联合我中心陶强副教授，在核科学与技术权威期刊Nuclear materials and energy上共同发表了题目为“Mechanical properties of a novel tungsten fiber-reinforced tungsten composite prepared through powder extrusion printing and high-pressure high-temperature sintering” 研究论文，该论文报道了一种通过粉末挤出3D打印方法(PEP)结合大腔体高温高压烧结技术(HPHT)制备的新型钨纤维增强钨材料。相比于传统工艺，高温高压烧结赋予该材料更高的致密度，通过在烧结过程中进行适当的温压调控，可获得近乎全致密的钨纤维增强钨材料。
与此同时，得益于高压强化，该复合材料中钨基体晶粒内部呈现出均匀的位错网格，钨基体与钨纤维界面处存在较高的几何平均位错密度，有效的提高了复合材料的硬度，相较于普通的钨基材料其维氏硬度提高了近50%。
图1钨纤维增强钨材料的微观结构
在力学性能方面，经过高温高压烧结的纯钨材料即使在晶粒尺寸存在数量级差距的情况下，依旧做到了与常压烧结下纳米晶钨材料近乎相同的压缩强度，而长纤维的加入进一步将复合材料的压缩强度提升了25%。同时由于界面的剥离及纤维的断裂增加了断裂能量耗散，使复合材料获得了超过15%的压缩应变，克服了纯钨材料室温脆性的缺点，在核聚变反应装置显示出极大的应用潜力。
图2 钨纤维增强钨材料的压缩性能
此工作是吉林大学综合极端条件高压科学中心承担的国家重大科技基础设施：“综合极端条件实验装置-高温高压大体积材料研究系统”自试运行以来的一次成功尝试。该工作也得到了超硬材料国家重点实验室开放课题、国家自然科学基金等项目的大力支持。
原文链接https://doi.org/10.1016/j.nme.2023.101553
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