VolframiSoveltuu erityisen hyvin materiaaliksi astian erittäin jännittyneisiin osiin, jotka sulkevat sisäänsä kuumaa fuusioplasmaa, sillä se on metalli, jolla on korkein sulamispiste.Haittana on kuitenkin sen hauraus, joka tekee siitä haurauden ja vaurioitumisalttiita.Garchingin Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) on nyt kehittänyt uuden, joustavamman yhdistemateriaalin.Se koostuu homogeenisistavolframipäällystetyllävolframi johdotupotettu.Toteutettavuustutkimus on juuri osoittanut uuden yhdisteen perussoveltuvuuden.

IPP:ssä tehtävän tutkimuksen tavoitteena on kehittää voimalaitos, joka auringon tavoin saa energiaa atomiytimien fuusiosta.Polttoaineena on matalatiheyksinen vetyplasma.Fuusiopalon sytyttämiseksi plasma on rajoitettava magneettikenttiin ja lämmitettävä korkeaan lämpötilaan.Ytimessä saavutetaan 100 miljoonaa astetta.Volframion erittäin lupaava metalli materiaaliksi komponenteille, jotka tulevat suoraan kosketukseen kuuman plasman kanssa.Tämän ovat osoittaneet IPP:n laajat tutkimukset.Toistaiseksi ratkaisematon ongelma on kuitenkin ollut materiaalin hauraus:Volframimenettää sitkeytensä voimalaitosolosuhteissa.Paikallista rasitusta – jännitystä, venymistä tai painetta – ei voida välttää materiaalin väistämisellä.Sen sijaan muodostuu halkeamia: Komponentit reagoivat siksi erittäin herkästi paikalliseen ylikuormitukseen.

Siksi IPP etsi rakenteita, jotka pystyvät jakamaan paikallista jännitystä.Kuituvahvistettu keramiikka toimi mallina: Esimerkiksi hauras piikarbidi on viisi kertaa sitkeämpi, kun se vahvistetaan piikarbidikuiduilla.Muutaman alustavan tutkimuksen jälkeen IPP-tutkija Johann Riesch tutki, voiko samanlainen käsittely toimia volframimetallin kanssa.

Ensimmäinen askel oli uuden materiaalin tuottaminen.Avolframin matriisi oli vahvistettava päällystetyillä pitkillä kuiduilla, jotka koostuivat ekstrudoidustavolframi lankaohut kuin hiukset.Johdot, alun perin tarkoitettu valaiseviksifilamenttejahehkulamppuihin, jos toimittaa Osram GmbH.IPP:ssä tutkittiin erilaisia ​​pinnoitusmateriaaleja, mukaan lukien erbiumoksidi.Täysin pinnoitettuvolframi kuidutne niputettiin sitten yhteen joko rinnakkain tai punottuna.Täyttääkseen lankojen väliset raot volframilla Johann Riesch ja hänen työtoverinsa kehittivät sitten uuden prosessin yhdessä englantilaisen teollisuuskumppanin Archer Technicoat Ltd:n kanssa. Kun taas volframityökappaleet puristetaan yleensä yhteen metallijauheesta korkeassa lämpötilassa ja paineessa, hellävarainen menetelmä yhdisteen valmistamiseksi löydettiin:volframikerrostetaan langoille kaasuseoksesta käyttämällä kemiallista prosessia kohtuullisissa lämpötiloissa.Tämä oli ensimmäinen kertavolframikuituvahvistettu volframituotettiin onnistuneesti toivotulla tuloksella: Uuden yhdisteen murtolujuus oli jo kolminkertaistunut verrattuna kuituttomaan volframiin ensimmäisten testien jälkeen.

Toinen askel oli selvittää, miten tämä toimii: Ratkaisevaksi tekijäksi osoittautui se, että kuidut silloivat matriisin halkeamia ja pystyvät jakamaan paikallisesti vaikuttavan energian materiaaliin.Tässä kuitujen ja volframimatriisin välisten rajapintojen on toisaalta oltava riittävän heikkoja, jotta ne antavat periksi halkeamien muodostuessa, ja toisaalta riittävän vahvoja välittämään voiman kuitujen ja matriisin välillä.Taivutuskokeissa tämä voitiin havaita suoraan röntgenmikrotomografian avulla.Tämä osoitti materiaalin perustoiminnan.

Materiaalin käyttökelpoisuuden kannalta ratkaisevaa on kuitenkin se, että parannettu sitkeys säilyy sitä levitettäessä.Johann Riesch tarkisti tämän tutkimalla näytteitä, jotka olivat haurastuneet aikaisemmasta lämpökäsittelystä.Kun näytteet altistettiin synkrotronisäteilylle tai laitettiin elektronimikroskoopin alle, niiden venyttäminen ja taivuttaminen vahvisti myös tässä tapauksessa parantuneet materiaaliominaisuudet: Jos matriisi pettää jännityksen aikana, kuidut pystyvät siloittamaan syntyviä halkeamia ja poistamaan ne.

Uuden materiaalin ymmärtämisen ja tuottamisen periaatteet ovat siis päässeet.Näytteitä valmistetaan nyt parannetuissa prosessiolosuhteissa ja optimoiduilla rajapinnoilla, mikä on suuren mittakaavan tuotannon edellytys.Uusi materiaali saattaa kiinnostaa myös fuusiotutkimuksen alan ulkopuolella.