[发明专利]一种具有高热导的钨-镀钨金刚石复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有高热导的钨‑镀钨金刚石复合材料及其制备方法，其中所述钨‑镀钨金刚石复合材料是由钨和镀钨金刚石按体积比混合加工制成，其中镀钨金刚石的质量分数为2％‑15％。本发明采用镀钨金刚石颗粒进行掺杂，镀钨层的存在在烧结过程中更有利于钨与碳之间的扩散，使得金刚石与钨基体界面间的结合更好，从而得到更好的导热性能。在反应堆严苛热负荷环境下，可以减少材料受到的损伤带来的PFM的损坏和等离子体污染等影响。

技术领域

本发明涉及一种钨基复合材料以及制备方法，具体地说是一种具有高热导的钨-镀钨金刚石复合材料及其制备方法。

背景技术

随着人类社会的发展，对能源的需求日益增加，轻原子聚变反应所产生的聚变能可能成为有效的解决人类面对的能源问题。托卡马克装置(Tokamak)是目前为止最有可能成功的可控热核聚变的装置。但在聚变装置中特别是面向等离子体材料(PFM)承受着聚变反应带来的高的H和He离子通量和高能量的中子辐照影响，同时与边缘等离子体直接接触，大量的热能、高能粒子、电磁辐射释放会使面向等离子体材料造成严重的表面损伤，热学和力学性能下降，材料的服役寿命会受到进一步影响。因此对材料的性能有着很高的要求，钨具有高熔点(3410℃)、低物理溅射率、低氚滞留、低肿胀等特点，被认为是最有潜力作为第一壁的候选材料。

然而钨基材料在实际反应堆环境下还面临着许多问题，PFM将暴露于稳态热负荷和几种类型的瞬态热负荷下。这些强烈的热负荷可能导致裂纹，表面熔化，蒸发，液滴喷射和疲劳断裂，这可能导致PFM的损坏和等离子体污染。所以需要材料具有高的热导率，而一般强化钨基材料的方法是向钨基体中添加第二相(如稀土氧化物和碳化物)对材料进行强化，但都无法提高钨基材料的热导率，反而会降低材料的热导率。金刚石由于自身具有的优异导热性能，将其掺杂进钨基体中可以较大幅度的提高材料的热导率，减少钨基材料在高的热负荷环境下的损伤。

发明内容

本发明旨在提供一种具有高热导的钨-镀钨金刚石复合材料及其制备方法。经过烧结制备的钨-镀钨金刚石复合材料的热导与纯钨相比有明显的提高。

本发明具有高热导的钨-镀钨金刚石复合材料，是由钨和镀钨金刚石按体积比混合加工制成，其中镀钨金刚石的质量分数为2％-15％。

本发明具有高热导的钨-镀钨金刚石复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：制粉

将纯钨粉与镀钨金刚石在300转/分钟的混粉机中搅拌混合均匀，得到混合粉料；

步骤1中，所述纯钨粉的纯度为99.9％，粒度为1.0-1.3μm；镀钨金刚石的平均粒度为300μm，镀钨层厚度为200-300nm。

步骤2：烧结

将步骤1获得的混合粉料放入石墨模具中，再将模具放入放电等离子烧结炉中，炉腔在室温下抽真空，然后升温至1600℃并保温3min，保温结束后降至室温，即得到钨-镀钨金刚石复合材料。

步骤2中，升温速率为100℃/min，降温速率为100℃/min。

步骤2中，烧结过程中控制压强不超过50MPa。

本发明的有益效果体现在：

金刚石材料本身具有极高的热导率(1500W/mK)，远超常见的高导热材料如铜(400W/mK)，在热沉材料的研究中早已将金刚石掺杂到铜基体中来大幅度的提高材料导热性能，因此本发明将金刚石掺杂到钨(160W/mK)中来提高材料的导热性能。本发明采用镀钨金刚石颗粒进行掺杂，镀钨层的存在在烧结过程中更有利于钨与碳之间的扩散，使得金刚石与钨基体界面间的结合更好，从而得到更好的导热性能。在反应堆严苛热负荷环境下，可以减少材料受到的损伤带来的PFM的损坏和等离子体污染等影响。

附图说明