[發明專利]一種面對等離子體材料中抗起泡的梯度多孔結構

無效

• 申請號: 201210028881.9
• 申請日: 2012-02-09
• 公開（公告）號: CN102560214A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 呂廣宏;程龍;王波;張穎
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C22C27/04
• 分類號: C22C27/04;C22C1/08;C22C1/04;B22F7/02
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 姜榮麗

技術領域

本發明屬于核聚變能源應用領域，具體涉及一種面對等離子體材料中抗起泡的梯度多孔結構，該發明適用于具有氫、氦及其同位素的等離子體輻照環境中，作為核聚變裝置中面對等離子體材料的結構。

背景技術

現有化石能源儲量的日漸消耗，核裂變能源形式存在著安全和環境等問題；而核聚變能源不僅其資源儲量極其豐富，并且與裂變相比無放射性，非常安全，因此核聚變能源將可能成為人類的終極能源。

在核聚變裝置中，面對等離子體材料(包括第一壁和偏濾器材料)要經受高熱沖擊、高劑量的中子和氘、氦等離子體輻照等惡劣環境的考驗。金屬鎢由于具有高熔點、低濺射率而成為優選的面對等離子體材料。但目前所用的鎢材料在氘、氦等離子體長時間輻照下會在表面產生起泡現象，這是由于氫、氦及其同位素在其表層下面聚集而導致的。嚴重的起泡現象會影響面對等離子體材料的服役狀況，造成表面起皮，嚴重影響等離子體的穩定性，并縮短面對等離子體材料本身的壽命。因此，努力避免鎢基面對等離子體的表面起泡現象是核聚變材料領域的一個重要研究目標。

發明內容

本發明的目的是提供一種面對等離子體材料中抗起泡的梯度多孔結構。這種結構可以有效避免氫、氦及其同位素等在材料表層下面的聚集，從而大大降低其表面的起泡現象。

為了解決上述問題，本發明所采用的技術方案是在鎢材料的表面采用梯度多孔結構。這種結構是在材料的表面設置大量的孔隙，并且這些孔隙都與表面相貫通。

具有這種梯度多孔結構的鎢基面對等離子體材料按照孔隙率的變化在厚度方向上由三層組成部分組成：表面多孔層、梯度過渡層和基體。最表面的部分是表面多孔層，表面多孔層下面與之緊密相接的部分為梯度過渡層，最下面與梯度過渡層緊密相連的部分是基體；

表面多孔層的厚度在3微米至8微米的范圍。在這個層內，鎢材料組織結構中存在著大量的孔隙，其孔隙率在20％到35％的范圍，所有孔隙都與表面貫通，并且組成網架的實體鎢的橫向粒徑尺寸在2微米以下；

梯度過渡層的厚度在3微米到10微米的范圍，其孔隙率從表面多孔層的孔隙率向深度方向逐漸減小，形成一個梯度變化，最終與基體相同。基體部分為現有技術中用于面對等離子體材料的金屬鎢塊體材料。

已有技術與本發明相比的不同之處在于：首先，目前采用的鎢基面對等離子體材料都是用實體塊體材料，還未有采用多孔鎢，特別是具有梯度過渡的多孔鎢結構；其次，現在已有的多孔鎢材料主要都是用于電子發射陰極材料，其孔隙內都填充了其它固體物質，多為高電子發射效率的物質，而非真正的孔隙，并且其孔隙結構只考察孔隙率的大小，不涉及實體網架的橫向粒徑尺寸要求；另外現有的多孔鎢材料都是孔隙率均勻的，不涉及孔隙率的梯度變化。

本發明的優點在于：

1、采用表面多孔層結構，等離子體輻照過程中進入金屬的氫、氦會通過橫向擴散進入孔隙，再經貫通于表面的孔隙通道返回到等離子體中，避免了面對等離子體材料在使用過程中的起泡問題，進而可以提高鎢基材料的使用壽命。

2、在表面多孔層和基體之間采用梯度過渡層，避免了因組織結構的突變而產生局部的過大應力，實現了表面多孔層與基體的良好結合。

附圖說明

圖1是本發明的一種面對等離子體材料中抗起泡的梯度多孔結構橫截面示意圖；

圖2是本發明中的梯度多孔結構的另一種形式的結構橫截面示意圖。

圖中：1.實體鎢；2.表面多孔層；3.孔隙；4.梯度過渡層；5.基體。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明提供的面對等離子體材料中抗起泡的梯度多孔結構進一步說明。

鎢材料在氫、氦及其同位素等離子體長時間輻照后，在表層下面幾微米的深度形成氣泡，通常是從表面到5微米的深度內。鎢材料表面之所以能夠起泡，就是由于氫、氦及其同位素可以在等離子體輻照過程下進入到材料的表層，從表層向下擴散，并隨著表層下氫、氦及其同位素的濃度升高，在2～3微米的擴散距離上逐漸積累形成氣體分子，繼而形成氣泡。針對這樣的問題，本發明提供一種面對等離子體材料中抗起泡的梯度多孔結構，所述的梯度多孔結構根據孔隙的不同，有兩種形式，以下用兩個實施例來進一步介紹。

實施例1：