钨丝增强铜复合材料的超重力熔渗制备新技术及其过程机制研究

A novel technology of combustion synthesis melt-infiltration under high gravity for tungsten fibre reinforced copper composites with high strengh at high temperature will be investigated. Which mechanism will be discussed. The relationship between raw material character and melt temperature and product property will be discovered by changing the thermite reaction. The process mechanism of melt infiltration will be disclosured by changing gravity coefficient. The structure vary mechanism of W fibre and copper matrix will be disclosured by changing the volume fraction of W fibre and designing the cooling method. Finally, the W fibre reinforced copper composites with good bonding strength and thermal conductivity at 550℃ will be prepared by optimizational process.. For the topic researching, a new method for W fibre reinforced copper composites used at the divertor in Tokamak reactor will develope.The technique with independent intellectual property rights will formate for proparing W fibre reinforced copper composites.

本课题旨在研究一种具有500℃以上高温强度的钨丝增强铜复合材料及其超重力熔渗制备新技术，并阐明其过程机制。研究超重力场中的铝热反应过程，建立原料特性与熔体粘度和产物性能的关系规律；通过钨丝体积分数的调节和散热方式的设计，实现对熔体渗透过程的控制，揭示钨丝和铜基质微结构演变机制；最终通过工艺优化，制备出可在550℃条件下服役的、具有综合热机性能的钨丝增强铜复合材料。.通过课题的研究，可拓展钨丝增强铜复合材料的制备技术手段，为针对核聚变堆偏滤器的热沉材料的制备开辟一条新途径。最终形成一种具有自主知识产权的制备钨丝增强铜复合材料的新技术。

核聚变反应堆将是人类未来能源的主要提供方式，利用磁约束的方式将聚变等离子体聚集在反应堆的中心，其放出的热量则通过热沉材料传导至发电站用于发电。铜基合金认为是最具潜力的热沉材料，但其在高温条件下强度急剧下降，不能满足工程应用条件。纤维增强的方式认为可以提高铜基合金的高温强度同时保持较高的热导率，钨纤维材料则是用于聚变堆环境的首选材料。. 本课题通过超重力燃烧合成熔渗的方法制备钨丝增强铜基复合材料，利用超高温超快冷的条件，使得钨丝增强铜基复合材料快速制备，避免钨丝内部结构的重结晶，从而保持钨丝的增强效果。经过Al/CuO体系的绝热温度的调控模拟计算和静态条件下的验证试验，找到稳定的铝热剂配方；接着在超重力场的动态条件下，确定合适的超重力系数；钨丝体积分数的调控，找到合适的结构特征，最后界面强度和热导率等性能评价。.结果如下：.1)Al/CuO铝热体系的绝热温度为2843K，易产生大量Cu蒸气，反应属于爆炸型。利用产物Cu来调节体系的绝热反应温度，对于Al/CuO体系按照化学反应式产生3mol的铜熔体，则稀释剂Cu的添加范围为5～6mol。.2)通过稳定的铝热体系，在超重力系数大于1000G时，可以产生致密的金属铜块体。而小于1000G时，气孔分离不完全。.3)钨丝增强铜复合材料的抗弯强度达355MPa，尽管钨丝和钨粉的体积分数达40%，其热导率>200W/mK。