Как хрупкое сделать прочным: вольфрам, армированный вольфрамом

Источник: phys.org

Институт Макса Планка по физике плазмы (IPP, Германия) давно занимается разработкой электростанций, черпающих энергию от слияния атомных ядер (аналогичные процессы проходят на солнце). В таких электростанциях в качестве топлива используется водородная плазма низкой плотности. Для зажигания плазму нужно заключить в магнитное поле и нагреть до сверхвысокой температуры. Перспективным материалом для компонентов, вступающих в прямой контакт с горячей плазмой, является вольфрам. Но главным недостатком металла является его хрупкость. Локальные напряжения — напряжения растяжения или давления — не могут компенсироваться за счет податливости материала. Компоненты из вольфрама очень чувствительны к местным перегрузкам, и быстро трескаются. Ученые IPP искали структуру, способную к распространению местных напряжений. Исследователи предположили, что решением проблемы может стать керамика, армированная волокнами.

Эксперименты с хрупким карбидом кремния показали, что в случае армирования материала волокнами из того же карбида кремния, прочность композита возрастает в пять раз. Затем группа, возглавляемая Иоганном Ришем, решила выяснить, подходит ли такое «лечение» вольфраму. Чтобы создать новый материал, вольфрамовую матрицу усилили длинными волокнами, представляющими собой экструдированную вольфрамовую проволоку с толщиной волоса. Изначально такие провода разрабатывались как светящиеся волокна для электрических ламп, поставляемых компанией Osram GmbH. В IPP были исследованы различные материалы для нанесения на эти волокна, в том числе, оксид эрбия. Полностью покрытые волокна вольфрама были связаны в пучки, либо параллельно, либо переплетаясь друг с другом. Чтобы заполнить вольфрамом пустоты между волокнами, Иоганн Рищ и его коллеги в сотрудничестве с английским промышленным партнером Archer Technicoat Ltd разработали новый технологический процесс.

Обычно вольфрамовые заготовки изготавливаются из металлического порошка, при высокой температуре и давлении. Новый метод является более щадящим: вольфрам осаждается на проводах из газообразной смеси, химическим путем и при умеренных температурах. Первые тесты показали, что устойчивость композита к трещинам в три раза выше, чем у неармированного вольфрама. На втором этапе проекта исследователи должны были проверить, как работает новый материал. Важным фактором является способность волокон перекрывать образующиеся в матрице трещины и распространять локально действующие напряжения по всему объему материала. Интерфейс между волокнами и матрицей вольфрама с одной стороны, должен быть достаточно слабым, чтобы проволока не рвалась в момент образования трещин. С другой стороны, интерфейс должен быть достаточно сильным, чтобы передавать усилие между матрицей и волокнами. Ученые провели тестирование материала на изгиб, и изучили деформации структуры при помощи рентгеновской микротомографии. Таким образом, были определены основные параметры функционирования материала.

Но решающим показателем полезности композита является сохранение прочности при сверхвысоких температурах. Г-н Риш проверил это, исследуя образцы, прошедшие термическую обработку. Анализ структуры при помощи электронной микроскопии и синхротронного излучения показал, что прочность композита на растяжение и изгиб сохраняется и в этом случае. Если матрица не выдерживает напряжения, волокна способны преодолеть возникающие трещины и перекрыть их. Таким образом, основные принципы производства и работы нового материала уже определены. В ближайшее время ученые планируют произвести образцы в улучшенных условиях и с оптимизированными интерфейсами. Это является необходимым условием для внедрения разработки в крупномасштабное производство. Исследователи отмечают, что вольфрамовый композит может представлять интерес не только в области термоядерных исследований.