摘 要

Abstract II

1 绪论 1

1.1 序言 1

1.2 钨基材料的特点及应用 1

1.2.1 钨基材料的特点 1

1.2.2 钨基材料的应用 2

1.3 研究目的及意义 3

2 元素掺杂强化钨基材料 5

2.1 弥散强化 5

2.1.1 碳化物弥散强化钨基材料 5

2.1.2 稀土氧化物弥散强化钨基材料 6

2.2 固溶强化（合金化强化） 6

2.2.1 Re、Mo等固溶强化W合金 7

2.2.2 Si、Zr、C、Cr、Y等强化W合金 7

2.3 纤维增强钨基复合材料 8

2.4小结 8

3 钨-氧化钇复合材料的制备及性能 9

3.1 钨-氧化钇粉末的制备 9

3.1.1 机械合金化方法制造复合材料粉末 9

3.1.2 化学法制造复合材料粉末 10

3.1.3 小结 11

3.2 粉末的烧结成型 12

3.2.1 热压烧结 12

3.2.2 放电等离子烧结 13

3.2.3 分析与总结 14

4 结论 16

参考文献 17

致谢 20

摘要

钨基复合材料在核聚变堆等领域发挥着重要作用。但钨基材料容易产生低温脆化、再结晶及等离子辐射脆性转变等问题。本课题针对W-Y₂O₃复合材料体系，调研、讨论和总结了该材料从粉末到成型材料的各种制备方法的优缺点，以及成型材料的各方面性能，提出了优化的技术路线图。采用添加表面活化剂的冷冻干燥法通过二次还原可制成理想的纳米级粉末，利用Debye-Scherrer公式（Dhkl＝k λ/βcosθ）计算其粉末粒径；采用两次放电等离子烧结可以获得性能更加优异的合金；同时利用公式ρ＝m/v测得材料密度；采用纤维维氏硬度计利用公式HV=0.189F/d计算材料的硬度；基于三点抗弯实验以公式R＝(3F×L)/(2b×h×h）测得材料抗弯强度。

关键词：W-Y₂O₃；表面活化剂；水热制备法；放电等离子烧结

Abstract

Tungsten-based composite materials are playing an increasingly important role in fields such as nuclear fusion reactors. In order to solve the brittleness problem caused by tungsten-based materials at low temperature, recrystallization, and plasma irradiation, the W-Y₂O₃ composite material system was investigated and the advantages and disadvantages of various preparation methods from powder to molding materials and molding materials All aspects of performance. The ideal nano-scale powder can be made by secondary reduction using the freeze-drying method with added surfactant, and the powder particle size can be calculated using the Debye-Scherrer formula: Dhkl = k λ/βcosθ. The use of twice spark plasma sintering can obtain more excellent alloys. The density of the material can be measured using the formula ρ＝m/v, the hardness of the material can be calculated using the formula HV = 0.189F / d using the fiber Vickers hardness meter, and the formula R＝(3F×L)/(2b×h×h） measured the bending strength of the material.

Keywords: W-Y₂O₃; surfactant; hydrothermal preparation method; spark plasma sintering

1 绪论

1.1 序言

上世纪以来，耐高温金属在各先进仪器的关键部位扮演着越来越不可或缺的角色，尤其是在核聚变、航空航天等领域^[1]。现如今，随着国家在核聚变、航空航天等方面的迅速发展，其核心部件对材料性能的要求不断提高，传统工艺方法制备的耐高温材料不能满足实际应用的工业要求。因此，研发高性能并可在极端条件下服役的材料显得尤为迫切。

钨（Tungsten，W）作为人类已知的难熔金属之一，得到了该领域的广泛关注。与碳（C）及其复合材料、铍（Be）及其他难熔金属相比，钨（W）不仅具有最高的熔点，最低的蒸汽压，而且具有高热导率、良好的抗辐照性能和低氚滞留等特性，这使得钨在各种工程领域具有更为广阔的应用前景^[2-5]。

1.2 钨基材料的特点及应用

1.2.1 钨基材料的特点

金属钨是自然界中熔点最高（3422 °C），沸点最高（5930 °C），蒸汽压最低（1.3×10^-7 Pa），热膨胀系数最低（4.5×10^-6）的纯金属。此外，钨还具有稳定的化学性质，不与无机强酸和水发生反应。然而钨基材料在制备和使用过程中也面临诸多挑战。例如，多晶钨具有低温脆性、辐照脆化、高温强度不足等问题^[6]。因此，选用合适的方法改善上述问题是十分重要的。目前来说，常见的强化方式包括进行合金化或掺杂增强材料。制备出的性能更加优异的钨合金和钨基复合材料，可以在日常生活和一些特殊领域发挥更大的作用。