CN102560214B

CN102560214B - 一种面对等离子体材料中抗起泡的梯度多孔结构

Info

Publication number: CN102560214B
Application number: CN 201210028881
Authority: CN
Inventors: 吕广宏; 程龙; 王波; 张颖
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-02-09
Also published as: CN102560214A

Abstract

本发明公开了一种面对等离子体材料中抗起泡的梯度多孔结构，属于核聚变能源应用领域。具有这种梯度多孔结构的钨基面对等离子体材料按照孔隙率的变化在厚度方向上由三层组成部分组成：表面多孔层、梯度过渡层和基体。梯度过渡层孔隙率从表面多孔层的孔隙率向深度方向逐渐减小，形成一个梯度变化，最终与基体相同。本发明中利用与表面贯通的孔隙将进入面对等离子体材料的氢、氦送回表面，避免了面对等离子体材料中内部起泡的形成，消除了起泡现象。

Description

一种面对等离子体材料中抗起泡的梯度多孔结构

技术领域

本发明属于核聚变能源应用领域，具体涉及一种面对等离子体材料中抗起泡的梯度多孔结构，该发明适用于具有氢、氦及其同位素的等离子体辐照环境中，作为核聚变装置中面对等离子体材料的结构。

背景技术

现有化石能源储量的日渐消耗，核裂变能源形式存在着安全和环境等问题；而核聚变能源不仅其资源储量极其丰富，并且与裂变相比无放射性，非常安全，因此核聚变能源将可能成为人类的终极能源。

在核聚变装置中，面对等离子体材料(包括第一壁和偏滤器材料)要经受高热冲击、高剂量的中子和氘、氦等离子体辐照等恶劣环境的考验。金属钨由于具有高熔点、低溅射率而成为优选的面对等离子体材料。但目前所用的钨材料在氘、氦等离子体长时间辐照下会在表面产生起泡现象，这是由于氢、氦及其同位素在其表层下面聚集而导致的。严重的起泡现象会影响面对等离子体材料的服役状况，造成表面起皮，严重影响等离子体的稳定性，并缩短面对等离子体材料本身的寿命。因此，努力避免钨基面对等离子体的表面起泡现象是核聚变材料领域的一个重要研究目标。

发明内容

本发明的目的是提供一种面对等离子体材料中抗起泡的梯度多孔结构。这种结构可以有效避免氢、氦及其同位素等在材料表层下面的聚集，从而大大降低其表面的起泡现象。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是在钨材料的表面采用梯度多孔结构。这种结构是在材料的表面设置大量的孔隙，并且这些孔隙都与表面相贯通。

具有这种梯度多孔结构的钨基面对等离子体材料按照孔隙率的变化在厚度方向上由三层组成部分组成：表面多孔层、梯度过渡层和基体。最表面的部分是表面多孔层，表面多孔层下面与之紧密相接的部分为梯度过渡层，最下面与梯度过渡层紧密相连的部分是基体；

表面多孔层的厚度在3微米至8微米的范围。在这个层内，钨材料组织结构中存在着大量的孔隙，其孔隙率在20％到35％的范围，所有孔隙都与表面贯通，并且组成网架的实体钨的横向粒径尺寸在2微米以下；

梯度过渡层的厚度在3微米到10微米的范围，其孔隙率从表面多孔层的孔隙率向深度方向逐渐减小，形成一个梯度变化，最终与基体相同。基体部分为现有技术中用于面对等离子体材料的金属钨块体材料。

已有技术与本发明相比的不同之处在于：首先，目前采用的钨基面对等离子体材料都是用实体块体材料，还未有采用多孔钨，特别是具有梯度过渡的多孔钨结构；其次，现在已有的多孔钨材料主要都是用于电子发射阴极材料，其孔隙内都填充了其它固体物质，多为高电子发射效率的物质，而非真正的孔隙，并且其孔隙结构只考察孔隙率的大小，不涉及实体网架的横向粒径尺寸要求；另外现有的多孔钨材料都是孔隙率均匀的，不涉及孔隙率的梯度变化。

本发明的优点在于：

1、采用表面多孔层结构，等离子体辐照过程中进入金属的氢、氦会通过横向扩散进入孔隙，再经贯通于表面的孔隙通道返回到等离子体中，避免了面对等离子体材料在使用过程中的起泡问题，进而可以提高钨基材料的使用寿命。

2、在表面多孔层和基体之间采用梯度过渡层，避免了因组织结构的突变而产生局部的过大应力，实现了表面多孔层与基体的良好结合。

附图说明

图1是本发明的一种面对等离子体材料中抗起泡的梯度多孔结构横截面示意图；

图2是本发明中的梯度多孔结构的另一种形式的结构横截面示意图。

图中：1.实体钨；2.表面多孔层；3.孔隙；4.梯度过渡层；5.基体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明提供的面对等离子体材料中抗起泡的梯度多孔结构进一步说明。

钨材料在氢、氦及其同位素等离子体长时间辐照后，在表层下面几微米的深度形成气泡，通常是从表面到5微米的深度内。钨材料表面之所以能够起泡，就是由于氢、氦及其同位素可以在等离子体辐照过程下进入到材料的表层，从表层向下扩散，并随着表层下氢、氦及其同位素的浓度升高，在2～3微米的扩散距离上逐渐积累形成气体分子，继而形成气泡。针对这样的问题，本发明提供一种面对等离子体材料中抗起泡的梯度多孔结构，所述的梯度多孔结构根据孔隙的不同，有两种形式，以下用两个实施例来进一步介绍。

实施例1：

如图1所示，这是钨基面对等离子体材料的梯度多孔结构的一种形式，可以采用常规的粉末烧结法制备得到。这种形式的孔隙特点是不太规则。所述的梯度多孔结构按照孔隙率的变化在厚度方向上由三层组成部分组成，如图1，最表面的部分是表面多孔层2，表面多孔层2下面与之紧密相接的部分为梯度过渡层4，最下面与梯度过渡层4紧密相连的部分是基体5；

所述的表面多孔层2的厚度为3微米。其中存在着大量的孔隙3，其孔隙率为35％，所有孔隙3都与表面贯通，并存在横向的相互贯通，并且组成网架的实体钨1的横向粒径为2微米；所述的孔隙3由实体钨颗粒间的间隙网络组成。

所述的梯度过渡层4的厚度为3微米，其空隙率从表面多孔层2的孔隙率向深度方向逐渐减小，形成一个梯度变化，最终与基体5的孔隙率相同。

所述的粉末烧结法具体工艺步骤为：选用颗粒度小于2微米的金属钨粉作为原料，填入成型模具中进行压制成型。首先进行基体5部分的压制成型，压力参数采用块体金属钨的常规制备工艺参数；然后是梯度过渡层4部分的压制成型，将这一部分的粉料分次(如5次)填入模具中，每次填料后施加压力压制，压力逐次减小，最后一次压力参数采用压制基体5压力的70％；再后面是将表面多孔层2部分的粉料一次填入模具，压力参数采用压制基体5压力的65％。压制成型后，最后是烧结步骤。将压制成型的半成品放入真空烧结炉中进行烧结，烧结温度和时间参数采用常规块体钨基面对等离子体材料的烧结工艺。

实施例2：

这是钨基面对等离子体材料的梯度多孔结构的另一种形式，如图2，可以采用常规的模板电化学刻蚀法制备。这种形式的孔隙特点是孔隙基本上都垂直于表面，比较规则平滑。同样是按照孔隙率的变化在厚度方向上由三层组成部分组成：最表面的部分是表面多孔层2，表面多孔层2下面与之紧密相接的部分为梯度过渡层4，最下面与梯度过渡层4紧密相连的部分是基体5；

所述的表面多孔层2的厚度为8微米。其中存在着大量的孔隙3，其孔隙率为20％，所有孔隙3都与表面贯通，并且实体钨1组成的网架的横向粒径尺度为1.5微米；所述的孔隙3在表面多孔层2中为直径1.5微米的孔，在梯度过渡层4中孔隙3的直径从表面多孔层2下表面的1.5微米逐渐减小，到基体5表面时减小为0微米，孔隙3方向大致垂直于基体5表面，孔隙3横向问不发生相互贯通。

所述的梯度过渡层4的厚度为10微米，其孔隙率从表面多孔层2的孔隙率向深度方向逐渐减小，形成一个梯度变化，最终与基体5的孔隙率相同。

所述的模板电化学刻蚀法的具体工艺步骤为：首先选购普通块体金属钨作为原材料，在金属钨表面涂敷一层光刻胶，利用常规光刻工艺在光刻胶上形成大致均匀分布的孔，孔心距离约为3微米，孔径为1.5微米；将带有多孔光刻胶的钨表面向下水平浸没于KOH溶液中，作为阳极并施加12V电压，对钨表面进行电化学刻蚀。由于阳极电化学反应生成的钨酸根离子在重力作用下沿着孔壁下滑，将侧壁保护，使得刻蚀只向深处进行。当钨孔深度达到8微米时，逐渐减小电压，进行梯度过渡层4的刻蚀，最终电压降低至0V为止。

在上述实施例的梯度多孔结构中，由于组成表面多孔层2的实体钨1的网架横向粒径在2微米以下，其横向扩散距离足够短，所以当氢、氦及其同位素进入表面并在实体钨1中向深处扩散的过程中，会从分布在表面多孔层2中的贯通于表面的孔隙3溢出并再次回到表面，释放到外面的等离子体中。这样，氢、氦及其同位素在金属钨的实体内部将始终无法聚集，因此就避免了内部起泡的形成，消除了起泡现象。

本发明的梯度多孔结构之所以采用了一层梯度过渡层4，是因为较大的孔隙率会不利于热量传导。因此，在表面多孔层2完成将气体输送回等离子体的功能后，要利于梯度过渡层4过渡到基体5状态，这样既能恢复较快的热传导，又不至于因表面多孔层2与基体5间的组织结构突变而产生两层结合不良的问题。

Claims

1.一种面对等离子体材料中抗起泡的梯度多孔结构，其特征在于：按照孔隙率的变化，钨基面对等离子体材料在厚度方向上由三层组成部分组成，分别为表面多孔层、梯度过渡层和基体，最表面的部分是表面多孔层，表面多孔层下面与之紧密相接的部分为梯度过渡层，最下面与梯度过渡层紧密相连的部分是基体；所述的表面多孔层和梯度过渡层中均有孔隙，孔隙率从表面多孔层向深度方向逐渐减小，在梯度过渡层形成一个梯度变化，最终与基体的孔隙率相同。

2.根据权利要求1所述的面对等离子体材料中抗起泡的梯度多孔结构，其特征在于：表面多孔层的厚度在3微米至8微米的范围，其孔隙率在20％到35％的范围，所有孔隙都与表面贯通，并且组成网架的实体钨的横向粒径尺寸在2微米以下。

3.根据权利要求1所述的面对等离子体材料中抗起泡的梯度多孔结构，其特征在于：梯度过渡层的厚度在3微米到10微米的范围。

4.根据权利要求1所述的面对等离子体材料中抗起泡的梯度多孔结构，其特征在于：基体部分为用于面对等离子体材料的金属钨块体材料。

5.根据权利要求1所述的面对等离子体材料中抗起泡的梯度多孔结构，其特征在于：所述的孔隙与表面贯通，并且存在横向贯通；或者所有孔隙只与表面贯通，相互不存在横向贯通。