CN107545936A

CN107545936A - 金刚石膜与石墨复合材料

Info

Publication number: CN107545936A
Application number: CN201710723773.6A
Authority: CN
Inventors: 赵志岩
Original assignee: LANGFANG SUPOWER DIAMOND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: LANGFANG SUPOWER DIAMOND TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2018-01-05

Abstract

本发明公开了一种金刚石膜与石墨复合材料，其主要用作聚变装置面向等离子体材料，金刚石膜生长于石墨的表面，形成金刚石膜与石墨复合材料。本发明的金刚石膜与石墨复合材料具有用作聚变装置面向等离子体材料(PFMs)的对慢中子的吸收量小、高温强度好、抗热震性高、对快中子的减速性能好、在辐照下尺寸稳定、杂质含量极少，同时具有较高的体积密度等优点。

Description

金刚石膜与石墨复合材料

技术领域

本发明涉及核聚变领域，特别涉及一种用作聚变装置面向等离子体材料(PFMs)的金刚石膜与石墨复合材料。

背景技术

目前人类社会所使用的能源主要煤、石油、天燃气这样的化石类燃料，它们形成的周期长，在地球上贮藏量有限，无法满足人类社会日益增长的需求。在过去的几十年里，科学工作者已经对风力发电、水力发电、太阳能发电、核能发电进行了大量的研究。风力发电和太阳能发电虽对环境的破坏小，但能提供的能量密度低，难以完全替代化石类能源，更谈不上满足未来进一步的能源要求。水力发电的建设和运行受自然环境影响很大，对生态环境的影响也是很大的。核能发电分为核裂变发电和核聚变发电，核裂变可以提供巨大的能量，在许多国家投入应用，但核废料的处理，装置的安全运行，以及可能的军事应用等问题一直让人难以释怀，2011年日本福岛核泄漏就是一个典型的例子。相比之下，核聚变有突出的优点。低原子序数的元素通过聚变反应聚合为更高序数的元素，反应中损失的质量转化为能量放出，提供能量的效率比裂变还高。核聚变所使用的原料氘和氚在海水中有着极其丰富的含量，同时聚变不产生CO²排放，不导致温室效应，发生事故对环境基本没有辐射影响，产生的废料辐射水平低，基本不污染环境，提供的是清洁能源。目前人类已经可以实现不受控制的核聚变，如氢弹的爆炸。但是要想能量可被人类有效利用，必须能够合理的控制核聚变的速度和规模，实现持续、平稳的能量输出，这就是受控核聚变。受控核聚变是公认的可以有效解决人类未来能源需求的主要途径。经过国际间的不懈努力，受控核聚变能的物理可行性已经得到证实，其中托卡马克(Tokamak)类型的磁约束可控热核聚变研究在技术上最成熟，进展也最快。2006年，国际上启动了全超导磁约束国际热核实验堆(International Thermonuclear Experimental Reactor，ITER)的建设，这标志着热核聚变技术从基础研究阶段进入了工程可行阶段。

在热核聚变反应堆运行时，内部不断的进行着核聚变反应，反应内部全部物质处于高温高压的等离子态。在ITER的方案中，聚变反应的基本方程式是：D+T→He+n+能量，左边的原料是氢的同位素氘(D)和氚(T)，右边的产物是携带了1/5聚变能的高能氦(He)原子(也称为α粒子)和携带4/5聚变能的高能中子(n)。中子不受磁场约束，其携带的聚变能高达14MeV，装置面对等离子体的一切材料均受其直接照射，所有的材料的机械、热性能均会发生变化。同时，α粒子将用于维持反应，而一旦能量降低不能推动反应，就需要迅速从等离子体中移出。这就需要在装置内建立一块吸收和排除热量以及杂质粒子的部位，即偏滤器，无疑此处的能量负荷非常大。在聚变反应装置中直接面对等离子体的第一壁和偏滤器及限制器的装甲材料统称为面向等离子体材料(Plasma Facing Materials，PFMs)。按照ITER(国际热核聚变实验堆)设计要求，PFMs局部表面需求承受的峰值热密度高达20mW/m²，同时还要有效地控制进入等离子体的杂质(PFMs材料的碎片)，这些杂质会对等离子体造成污染，严重的影响着聚变反应的进行，因此PFMs将是决定聚变能能否开发成功的关键之一。

PFMs关系到等离子体的稳定性及第一壁结构材料和元件免受等离子体轰击损伤的问题，这就要求PFMs在以下几方面应具有良好的性能。首先，PFMs要有良好的热导性，抗热冲击性和高熔点；其次，要求PFMs应有低的溅射腐蚀，即由物理溅射和辐照增强升华所产生的杂质的数量要低；第三，氢(氘、氚)再循环作用要低，即氢(氘、氚)应具有较低的吸放气性(即出气率)；第四，PFMs应该是低活性材料。

目前，人们已经尝试了多种可能的PFMs，其中最典型的PFMs是铍(Be)、碳(C)基材料和钨(W)基材料。

Be由于具有低的原子序数(Z＝4)，可以减少杂质对等离子体稳定性的影响，密度低，比强度低，弹性模量高，抗氧化能力强，与等离子体具有良好的适应性，高的热导率，中子吸收截面小且散射截面大，同时，氢的同位素在铍里面滞留量及溶解度都很低。值得注意的是，在中子辐照的条件下，将会引发Be晶体结构的变化以及产生嬗变产物(He，H，D，T)，由此引起铍的肿胀(氦泡)和吸氚，以及铍的性能变化，如韧性降低，导热率降低，尤其是在低辐照温度(70℃)，高辐照计量(32dpa)条件下，将会导致其热导率的急剧下降(如从200W/(m·K)降到35W/(m·K))。同时，由于Be有毒，熔点也低，抵挡高热负荷冲击的能力有限，因而铍不是理想的PFMs。

金属钨具有较高的原子序数、很高的熔点和导热率、低蒸汽压、低膨胀率、高强度和低的H及其同位素滞留率的性能，以及高的抗等离子体冲刷能力，可望达到较高的使用寿命，最具希望用作PFMs。但钨作为PFMs的主要问题是物理溅射和辐照效应，当离子能量大于100eV时，钨的自溅产额将大于1，因此，随着聚变装置向大型化发展，反应温度提高，钨只能应用在能量低于这一水平的聚变系统，已不能满足聚变装置日益提高的应用需求。

碳基材料(如掺杂石墨、碳纤维复合材料等)由于具有低原子序数(Z＝12)、具有良好的导热性、在高温时仍能保持一定的弹性强度、具有高熔点、很好的抗热负荷冲击性能和较好的真空性能，能够承受Tokamak装置中异常事件带来的影响，近20多年来被作为PFMs的首选材料而广泛应用于国内外大多数Tokamak实验装置。

最早使用的碳基材料是高纯石墨，然而，随着核聚变研究的不断深入，Tokamak装置的功率逐渐增大，纯石墨已不能完全满足使用要求。为改善高纯石墨材料的不足，国内外许多材料研究者曾在材料制备工艺上进行了很多改进研究。一些学者从降低材料的原子序数有效值和提高氧化能力出发，研究了掺杂石墨材料。如日本东洋碳素公司和美国加州大学核聚变研究所联合开发的硼化石墨、核工业西南物理研究院通过对装置器壁原位硼化，硅化和锂化处理获得掺杂石墨、中科院等离子体所与山西煤化所合作开展了掺杂硼(B)，钛(Ti)，硅(Si)石墨的研究，并成功地将代号为BST-DG(掺杂成分为1B，2.5Si，7.5Ti)的石墨应用于HT-7托卡马克装置中的限制器。国外发展了高导热碳纤维增强的碳-碳复合材料(CFC)。以吴俊雄领导的欧盟研究小组历时8年开发的掺杂三维CFC代表了目前的最高水平，其机械强度和导热率方面都大大高于石墨，且热导率在室温下达到300W/(m·K)以上，热膨胀系数低，因而耐热冲击性能特别好，将用于ITER中热载很高的局部位置。

但是，最早使用的高纯石墨孔隙较大，导致水蒸气等多种气体大量贮存于孔隙，特别是对于聚变燃料氘、氚存贮量高，给聚变实验装置的再循环控制造成了困难。其次，是其耐高温氧化性能差，并有高化学溅射和辐照升华现象，使用寿命较短等。

掺杂石墨材料与高纯石墨相比，提高机械性能，热性能，真空性能，降低了对巨变反应原料氘、氚的吸收量、减少了离子化学溅射损伤以及由于氧化引起的材料损耗，抑制了重金属杂质，大大降低了碳，氧杂质和等离子体能量辐射损失，提高了等离子体约束性能。但以上掺杂石墨的热导率较低，并不能很好地适应新一代Tokamak装置。

高导热碳纤维增强的碳-碳复合材料(CFC)，其机械强度和导热率方面都大大高于石墨，且热导率在室温下达到300W/(m·K)以上，热膨胀系数低，因而耐热冲击性能特别好，但其高化学溅射和辐照升华现象，在中子辐照条件下会引发碳基材料晶体结构变化，产生嬗变产物(He，H，D，T)，还将引发CFC形状不稳定，使韧性降低和热导率急剧下降。

因此，如何能开发出适应核聚变研究不断深入，Tokamak装置功率逐渐增大的PFMs材料已成为本领域亟待解决的问题，

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种金刚石膜与石墨的复合材料，具有用作聚变装置面向等离子体材料(PFMs)的对慢中子的吸收量小、高温强度好、抗热震性高、对快中子的减速性能好、在辐照下尺寸稳定、杂质含量极少，同时具有较高的体积密度等优点。

为实现上述目的，本发明提供了一种金刚石膜与石墨复合材料，其主要用作聚变装置面向等离子体材料(PFMs)，金刚石膜生长于石墨的表面，形成金刚石膜与石墨复合材料。

优选地，上述技术方案中，金刚石膜的生长方法为化学气相沉积(CVD)法。

优选地，上述技术方案中，化学气相沉积法为热丝化学气相沉积(CVD)法、微波化学气相沉积法和直流电弧等离子喷射化学气相沉积法。

优选地，上述技术方案中，金刚石膜的厚度介于100μm～500μm之间。

优选地，上述技术方案中，在进行生长金刚石膜前，在石墨表面先镀一层过渡层。

优选地，上述技术方案中，形成过渡层的方法为物理气相沉积(PVD)法。

优选地，上述技术方案中，过渡层的材料为金属钨，过渡层的厚度介于10nm～500nm之间。

优选地，上述技术方案中，金刚石膜与石墨复合材料的热导率在1200W/(m·K)以上。

优选地，上述技术方案中，金刚石膜与石墨复合材料的热膨胀系数介于1.2×10^-6/K～4.5×10^-6/K之间。

优选地，上述技术方案中，金刚石膜与石墨复合材料能够抵挡高能离子对其化学溅射腐蚀。

与现有技术相比，本发明的金刚石膜与石墨复合材料具有极佳的耐热冲击性能、极低的出气率以及有效地防止化学溅射腐蚀等有益效果。

附图说明

图1是根据本发明的金刚石膜与石墨复合材料表面扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1所示，根据本发明具体实施方式的一种金刚石膜与石墨的复合材料，具有用作聚变装置面向等离子体材料(PFMs)的对慢中子的吸收量小、高温强度好、抗热震性高、对快中子的减速性能好、在辐照下尺寸稳定、杂质含量极少，同时具有较高的体积密度等优点。

在一些实施方式中，聚变反应堆用石墨须具有对慢中子的吸收量小、高温强度好、抗热震性高、对快中子的减速性能好、在辐照下尺寸稳定、杂质含量极少等要求。同时，聚变反应堆用石墨必需有较高的体积密度。因为石墨对快中子的减速作用是依靠快中子对碳原子的碰撞作用而实现的，单位体积内碳原子越多，减速效果越好，所以体积密度是核石墨的主要指标之一。体积密度也与石墨的气孔率和渗透率直接有关，为了避免核燃料及载热体的损失，要将气孔率及渗透率降低到一定水平。石墨的机械强度也与其体积密度有关，一般石墨堆使用的核石墨的体积密度在1.7-1.75g/cm。所以本发明采用的石墨为三高石墨，即高密度、高纯度、高强度。

在一些实施方式中，金刚石膜的生长方法为化学气相沉积(CVD)法。化学气相沉积(CVD)金刚石是利用含碳气体与氢气等混合气体在高温热源和低于标准大气压的压力条件下被激发分解，得到大量反应粒子、原子、电子、离子等活性粒子，活性粒子混合后并经历一系列复杂化学反应到达石墨基体表面，通过吸附、解吸附过程在石墨表面形成金刚石颗粒，最终在基体上沉积交互生长成金刚石膜。金刚石膜厚度一般处于百微米级别(100μm～500μm)。化学气相沉积法为热丝化学气相沉积(CVD)法、微波化学气相沉积法和直流电弧等离子喷射化学气相沉积法，但是本发明并不以此为限。

在一些实施方式中，在进行生长金刚石膜前，在石墨表面先镀一层过渡层。该过渡层主要作用是：(1)防止在化学气相沉积过程中，等离子体刻蚀石墨表面，造成石墨疏松，金刚石膜与石墨之间结合力差，金刚石膜的脱落；(2)金刚石在石墨表面直接形核困难，施加过渡层有利于金刚石形核。

在一些实施方式中，形成过渡层的方法为物理气相沉积(PVD)法。即利用真空蒸镀或溅射镀或离子镀等PVD方法将钨原子或分子由源转移到石墨基材表面上，在石墨表面上镀一层金属钨过渡层。过渡层厚度不需要太厚，一般几十到几百纳米即可(10nm～500nm)。

在一些实施方式中，过渡层为金属钨。主要原因是：(1)金属钨具有高的熔点和导热率、低蒸汽压、低膨胀率、高强度和低的氢及其同位素滞留率的性能，本身可作为聚变反应堆用面向等离子体材料(PFMs)；(2)金刚石在金属钨表面形核相对容易，容易得到致密的金刚石膜。

在一些实施方式中，金刚石膜与石墨复合材料的热导率在1200W/(m·K)以上。

在一些实施方式中，金刚石膜与石墨复合材料的热膨胀系数介于1.2×10^-6/K～4.5×10^-6/K之间。

在一些实施方式中，金刚石膜与石墨复合材料能够抵挡高能离子对其化学溅射腐蚀。

综上所述，本发明的金刚石膜与石墨复合材料具有高的导热性、低的热膨胀系数以及高的稳定性，也就决定了该金刚石膜与石墨复合材料具有以下优势：

(1)可以有效地防止化学溅射腐蚀。金刚石具有极佳的化学稳定性，在核聚变反应发生时，能够抵挡高能离子对其化学溅射腐蚀，使等离子体中不掺杂其它粒子，保证了核聚变燃料氘、氚的反应浓度和核辐射功率。

(2)具有极佳的耐热冲击性能。金刚石膜与石墨复合材料的热导率在1200W/(m·K)以上，金刚石膜与石墨复合材料的热膨胀系数介于1.2×10^-6/K～4.5×10^-6/K之间，能够承受核聚变反应的高脉冲热负载和频繁热循环，具有极佳的耐热冲击性能。

(3)极低的出气率。聚变反应与CVD金刚石膜生长环境是一致的，即高温、负压状态，因此在聚变反应等离子体再循环和氦灰去除过程中，金刚石膜与石墨复合材料的出气率是极低的，不会存贮大量的核聚变燃料氘、氚在体内。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims

1.一种金刚石膜与石墨复合材料，其用作聚变装置面向等离子体材料，其特征在于，所述金刚石膜生长于石墨的表面，形成所述金刚石膜与石墨复合材料。

2.根据权利要求1所述的金刚石膜与石墨复合材料，其特征在于，所述金刚石膜的生长方法为化学气相沉积法。

3.根据权利要求2所述的金刚石膜与石墨复合材料，其特征在于，所述化学气相沉积法为热丝化学气相沉积法、微波化学气相沉积法和直流电弧等离子喷射化学气相沉积法。

4.根据权利要求1所述的金刚石膜与石墨复合材料，其特征在于，所述金刚石膜的介于100μm～500μm之间。

5.根据权利要求1所述的金刚石膜与石墨复合材料，其特征在于，在进行生长所述金刚石膜前，在所述石墨表面先镀一层过渡层。

6.根据权利要求5所述的金刚石膜与石墨复合材料，其特征在于，形成所述过渡层的方法为物理气相沉积法。

7.根据权利要求5所述的金刚石膜与石墨复合材料，其特征在于，所述过渡层的材料为金属钨，所述过渡层的厚度介于10nm～500nm之间。

8.根据权利要求1所述的金刚石膜与石墨复合材料，其特征在于，所述金刚石膜与石墨复合材料的热导率在1200W/(m·K)以上。

9.根据权利要求1所述的金刚石膜与石墨复合材料，其特征在于，所述金刚石膜与石墨复合材料的热膨胀系数介于1.2×10^-6/K～4.5×10^-6/K之间。

10.根据权利要求1所述的金刚石膜与石墨复合材料，其特征在于，所述金刚石膜与石墨复合材料能够抵挡高能离子对其化学溅射腐蚀。