核聚变装置中高热通量区域用炭基面对等离子体材料的设计和合成

本研究提出了制备核聚变装置中高热通量区域用炭基面对等离子体材料的新思路-即中间相沥青短切炭纤维增强天然鳞片石墨基复合材料，并研究其与等离子体的作用机制。项目拟采用天然鳞片石墨粉、中间相沥青基短切炭纤维和煤沥青为原料来进行材料的合成。项目主要研究内容包括新型炭基面对等离子体材料的结构设计和制备工艺优化以及材料的性能与等离子体辐照行为之间的相互关系。项目的创新性在于率先提出将短切炭纤维与天然鳞片石墨复合来制备新型炭材料的思路。该复合材料既汲取中间相沥青基炭纤维的高强度、优异的抗热冲击能力，又具有天然鳞片石墨自身高石墨化度和取向度的特性，因而将赋予材料具有良好的力学和导热性能。研究成果将是对传统炭基面对等离子体材料结构设计及其制备技术的重大创新，也将为今后我国核聚变高热通量负荷区域的面对等离子体材料选择提供重大的技术支撑。

高导热石墨材料因其良好的热/力学性能和优异的抗等离子体辐照能力而在国内外的大型Tokamak装置中得到广泛应用。以天然鳞片石墨为填料制得的石墨材料具有卓越的热传导性能，但其力学强度较差，因而限制了其在核聚变装置中的应用。本项目以中间相沥青短切炭纤维为增强体、天然鳞片石墨填料、中间相沥青为粘结剂，经均匀混合后，利用高温热压工艺制备了具有优异热力学性能的鳞片石墨基复合材料。本项目的主要研究成果如下：.1. 与干混、球磨、超声分散等混合方式相比，将短纤维在含有适量表面活剂的分散体系中可实现纤维与其他原料粉末较好的均匀分散。.2. 原料天然石墨鳞片的颗粒尺寸为80目、粘结剂的含量为25 wt. %时，所制备出材料有着较佳的面向热导率、较低的电阻率以及较高的力学强度。.3. 短切炭纤维含量对最终材料的微观结构及热力学性能有着显著影响。纤维的引入使材料的致密性降低，但使得其热/力学性能呈现显著提高，同时还增加了材料在结构及性能上的各向异性。2500℃及25MPa热压条件下，纤维含量为6 wt. %时制备的材料呈现出较高的面向热导率(516W/m K)；而纤维含量为8wt. %时材料的力学强度达到最大(抗弯强度39.6MPa，抗压强度65.5MPa)。此外，纤维含量还对材料的热膨胀系数、弹性模量以及抗热震性能有较为显著的影响。与未添加纤维制备的石墨材料相比，纤维含量为8wt. %时材料的抗热震因子提高了3.63倍。.4. 短切纤维长度对材料的微观结构及热力学性能有着显著影响。纤维含量在原料体系中为7 wt. %（纤维长度为4-5mm），经2500℃和25MPa热压条件下，所制备材料的面向热导率达到最大值518 W/m K，电阻率达到最低(2.05μΩ•m),且抗弯强度也达到最大值33.1MPa。.5. 热压温度对鳞片石墨基复合材料的结构及性能有着显著影响。热压温度越高，基体石墨及纤维增强复合材料的面向导热性能就越好，但力学性能却越低。热压温度为2300℃时，材料的抗弯强度可达50MPa，但面向热导率仅为320W/(m K)；热压温度为2700℃时，复合材料的面向热导率可达606W/(m K)，电阻率低至1.69μΩ•m，但抗弯强度仅为22.6MPa。.6. 采用化学气相沉积法在石墨鳞片表面原位附载CNT可在不降低面向导热的同时有效提高鳞片石墨基复合材料的机械强