TiAlN及其氧化涂层对钨网增强钨基材料性能的影响研究开题报告

 2022-01-12 09:01

全文总字数：5134字

1. 研究目的与意义（文献综述）

2000 年以后，伴随着全球经济的不断发展，人类社会对能源的需求与日俱增，据《世界能源中国展望》分析在 2035 来以后，中国的能源需求将占世界的 38.5%。能源主要由化石燃料产生，传统的化石燃料如煤、石油、天然气等却日益枯竭。首先将化石燃料作为燃料燃烧非常浪费；同时化石燃料燃烧时会产生大量二氧化碳、一氧化碳、氮氧化合物、硫氧化合物和固体悬浮微粒，这些燃烧排出的尾气致使全球变暖，对我国城市空气也有十分严重的污染。因此研究化石燃料的替代能源是目前研究的重中之重，目前研究的风能、水能和太阳能都有着能量来源受限的缺点，而核能有着解决全人类能源需求的潜力并能够解决能源供给不足、产物污染和能量来源限制等问题，有利于社会的可持续发展因此研发核能得到了国际社会的广泛支持。
根据原子核反应的不同特点，核能分为裂变能和聚变能两种，裂变能是由大原子裂变成小原子释放能量,而聚变能由小原子聚变成大原子释放能量。聚变堆相较于裂变堆具有原料和产物放射性低的优点。裂变反应堆虽然是国际上常用的商用反应堆，但是裂变堆的最终产物在稳态之前具有非常严重的辐射问题，达到无害状态一般需要经历十年甚至百年的放置，一旦发生事故会非常难以处置；而聚变反应为氘氚反应，其产物氦并无放射性；虽然反应产生过程中包层材料会因中子的碰撞发生嬗变而引起辐射，但是其辐射剂量相对裂变反应而言较为微弱；原料氘辐射非常有限，而氚虽然具有放射性，但不会穿透人体因而对人体伤害有限，只有在大量吸入时才会对人体有害。与裂变反应相比，裂变反应可以在更为清洁的工作条件下释放出更高能量。

在聚变反应堆中，聚变反应室的内壁需要经受等离子体冲击、高热粒子流轰击、高强瞬态热流冲击和高通量 D/T/He 和杂质离/粒子以及中子和逃逸电子的轰击，同时需要保证聚变堆能够稳定运行并且保证装置安全，所以如何选择适宜的面向等离子体材料是研究的重中之重。通常来说，面向等离子体材料需要满足以下几点：第一，与等离子体相容性好；第二，抗辐照性能强；第三，对反应气体氘和氚的吸放气性可以保证稳态运行的维持；第四，放射活性低；第五，热力学性能好，满足高熔点、高导热、高温强度高、抗高温蠕变、抗热震等要求；第六：与热沉材料的连接性能好。

目前研发中的面向等离子体材料主要分为低 Z 材料和高 Z 材料（Z 为元素原子序数），低 Z 材料以铍（Be）、碳材料以及碳复合材料为代表，高 Z材料以钨及其合金为代表。在这三类材料中，铍无法长期服役，碳基材料服役寿命较短，因为钨的高温强度、高熔点、高热导率、高溅射阈值、不与氚发生反应以及非常低的腐蚀率的特点，而被选为 ITER 计划中第一壁的材料，并成为后续 DEMO 堆的主要备选材料之一。然而钨的韧脆转变温度一般在 400℃以上，在 25℃钨呈完全的脆性，韧性几乎为零，在瞬态的热冲击作用下钨非常容易开裂，在韧脆转变温度以上进行工作时，钨会开裂或形成其他不可逆的材料损伤，以上一系列由于韧脆转变温度引起的问题制约着钨发挥出作为第一壁材料的优势，所以研发新一代钨基材料，提高钨的韧性以延长其服役寿命对未来以聚变堆作为能源的探索和发展有着非常重要的意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容
材料制备：
（1）通过电弧离子镀法在预制钨网上制备 TiAlN 涂层;
（2）通过放电等离子烧结制备 W 纤维/W 基体，W 纤维/TiAlN 涂层/W 基体复合材料;
（3）通过二氧化碳或空气对 TiAlN 涂层进行氧化，研究其氧化工艺；通过放电等离子体烧结制备 W 纤维/氧化涂层/W 基体复合材料。
材料表征：采用三点弯曲方法对复合材料进行弯曲试验，通过 XRD、SEM等测试技术对复合材料界面的物相、显微组织结构及微区成分进行测试分析;
性能测试：通过三点弯曲应力应变曲线、断口分析等方法对材料力学性能进行评估比较.
2.2 研究目标
（1）通过放电等离子体烧结及氧化工艺制备 W 纤维/W 基体，W 纤维/TiAlN涂层/W 基体和 W 纤维/氧化涂层/W 基体复合材料；
（2）采用三点弯曲方法对复合材料进行弯曲试验，对复合材料界面的物相、显微组织结构及微区成分进行测试分析，并绘制三点弯曲应力应变曲线，探索涂层对材料力学性能的影响；
（3）研究复合材料的力学性能，分析其强化机理并研究界面涂层在复合材料制备过程中的变化。
2.3 技术方案
（1）将购置的纯 W网和镀有TiAlN涂层的W网用钨手工艺剪刀剪成φ20mm的圆片若干；在 CO2环境或空气下对部分镀有 TiAlN 的 W 网圆片进行氧化，制备氧化涂层 W 网；
（2）首先称取 15.5g 钨粉，在粉末成型模具中压制成 0 层 W 网增强的 W 基体，作空白对照；
（3）准备 15.5gW 粉两份，先在模具底部铺上一层钨粉 3.1g，然后放上纯W 网圆片，随后再铺上 3.1gW 粉，依次重复，通过两步烧结法制备 4 层 W 网增强的 W 基体；用同样的方法制备 10 层 W 网增强的 W 基体，每层 W 粉 1.41g.
（4）准备 15.5gW 粉，用 3 步骤方法制备 10 层镀有 TiAlN 涂层 W 网增强的 W 基体;
（5）准备 15.5gW 粉，用 3 步骤方法制备 10 层氧化涂层 W 网增强的 W 基体;

（6）对 3、4、5 步骤制备的复合材料进行弯曲实验，绘制三点弯曲应力应变曲线比较力学性能;通过 XRD、SEM 等测试技术对材料界面的物相、显微组织结构及微区成分进行测试分析；通过三点弯曲应力应变曲线、断口分析等方法对材料力学性能进行评估比较，分析增强机理；

3. 研究计划与安排

第 1－3 周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。

明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。

确定技术方案，并完成开题报告。

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4. 参考文献（不低于12篇）

[1] meindlhumer m, zalesak j, pitonak r, et al. biomimetic hard and tough nanoceramic ti-al-n film with self-assembled six-level hierarchy.nanoscale ,2019, 11(16): 7986-7995.

[2] tkadletz m, hofer c, wüstefeld c, et al. thermal stability of nanolamellar fcc-ti1-xalxn grown by chemical vapor eposition .acta mater, 2019, 174:195-205.

[3] guo t, chen y, cao r, et al. cleavage cracking of ductile-metal substrates induced by brittle coating fracture, acta mater, 2018, 152: 77-85.

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