Wolfram je zvláště vhodný jako materiál pro vysoce namáhané části nádoby uzavírající horké tavné plazma, jedná se o kov s nejvyšší teplotou tání.Nevýhodou je však jeho křehkost, která ho při namáhání činí křehkým a náchylným k poškození.Institut Maxe Plancka pro fyziku plazmatu (IPP) v Garchingu nyní vyvinul nový, odolnější směsný materiál.Skládá se z homogenního wolframu s potaženými wolframovými dráty.Studie proveditelnosti právě ukázala základní vhodnost nové směsi.

Cílem výzkumu prováděného na IPP je vyvinout elektrárnu, která stejně jako Slunce získává energii z fúze atomových jader.Použitým palivem je vodíkové plazma s nízkou hustotou.Pro zapálení fúzního ohně musí být plazma uzavřena v magnetických polích a zahřátá na vysokou teplotu.V jádru je dosaženo 100 milionů stupňů.Wolfram je velmi slibný kov jako materiál pro součásti přicházející do přímého kontaktu s horkým plazmatem.To bylo prokázáno rozsáhlými výzkumy v IPP.Doposud nevyřešeným problémem však byla křehkost materiálu: Wolfram v podmínkách elektrárny ztrácí svou houževnatost.Místní napětí – tah, natahování nebo tlak – nelze zabránit mírným povolováním materiálu.Místo toho se tvoří trhliny: Komponenty proto reagují velmi citlivě na místní přetížení.

Proto IPP hledala struktury schopné distribuovat místní napětí.Jako modely sloužila vlákny vyztužená keramika: Například křehký karbid křemíku je pětkrát tak houževnatý, když je vyztužen vlákny karbidu křemíku.Po několika předběžných studiích měl vědec IPP Johann Riesch prozkoumat, zda podobná léčba může fungovat s wolframovým kovem.

Prvním krokem byla výroba nového materiálu.Wolframová matrice musela být vyztužena potaženými dlouhými vlákny sestávajícími z extrudovaného wolframového drátu tenkého jako vlas.Dráty, původně určené jako světelná vlákna pro žárovky, byly dodány firmou Osram GmbH.Na IPP byly zkoumány různé materiály pro jejich povlakování, včetně oxidu erbia.Zcela potažená wolframová vlákna byla poté svázána dohromady, buď paralelně nebo spletena.K vyplnění mezer mezi dráty pomocí wolframu Johann Riesch a jeho spolupracovníci vyvinuli nový proces ve spolupráci s anglickým průmyslovým partnerem Archer Technicoat Ltd. Zatímco wolframové obrobky jsou obvykle lisovány dohromady z kovového prášku při vysoké teplotě a tlaku, byl nalezen šetrný způsob výroby sloučeniny: Wolfram se na dráty nanáší z plynné směsi aplikací chemického procesu při mírných teplotách.Bylo to poprvé, co byl úspěšně vyroben wolfram vyztužený wolframovými vlákny s požadovaným výsledkem: Lomová houževnatost nové směsi se již po prvních testech ztrojnásobila ve srovnání s bezvláknovým wolframem.

Druhým krokem bylo prozkoumat, jak to funguje: Rozhodujícím faktorem se ukázalo, že vlákna přemosťují trhliny v matrici a mohou distribuovat lokálně působící energii v materiálu.Zde musí být rozhraní mezi vlákny a wolframovou matricí na jedné straně dostatečně slabé, aby povolilo, když se tvoří trhliny, a na druhé straně musí být dostatečně pevné, aby přenášelo sílu mezi vlákny a matricí.V ohybových testech to bylo možné pozorovat přímo pomocí rentgenové mikrotomografie.Tím bylo demonstrováno základní fungování materiálu.

Rozhodující pro užitečnost materiálu je však to, že zvýšená houževnatost je zachována při jeho aplikaci.Johann Riesch to ověřil zkoumáním vzorků, které byly předchozím tepelným zpracováním zkřehnuté.Když byly vzorky vystaveny synchrotronovému záření nebo umístěny pod elektronový mikroskop, jejich natahování a ohýbání také v tomto případě potvrdilo zlepšené vlastnosti materiálu: Pokud matrice při namáhání selže, jsou vlákna schopna překlenout vzniklé trhliny a zastavit je.

Principy pro pochopení a výrobu nového materiálu jsou tedy vyřešeny.Vzorky mají být nyní vyráběny za zlepšených procesních podmínek as optimalizovanými rozhraními, což je nezbytný předpoklad pro výrobu ve velkém měřítku.Nový materiál by mohl být zajímavý i mimo oblast výzkumu fúze.