Вольфрам особенно подходит в качестве материала для сильно нагруженных частей сосуда, в котором находится горячая термоядерная плазма, поскольку это металл с самой высокой температурой плавления.Однако недостатком является его хрупкость, которая при стрессе делает его хрупким и склонным к повреждениям.Новый, более упругий составной материал был разработан Институтом физики плазмы Макса Планка (IPP) в Гархинге.Он состоит из однородного вольфрама со встроенными вольфрамовыми проволоками с покрытием.Технико-экономическое обоснование только что показало базовую пригодность нового соединения.

Целью исследований, проводимых в ИФП, является разработка электростанции, которая, как и Солнце, получает энергию за счет синтеза атомных ядер.В качестве топлива используется водородная плазма низкой плотности.Чтобы зажечь термоядерный огонь, плазму необходимо заключить в магнитные поля и нагреть до высокой температуры.В ядре достигается 100 миллионов градусов.Вольфрам — весьма перспективный металл в качестве материала для деталей, непосредственно контактирующих с горячей плазмой.Это было продемонстрировано обширными исследованиями, проведенными в IPP.Однако до сих пор нерешенной проблемой была хрупкость материала: вольфрам теряет свою вязкость в условиях электростанции.Местное напряжение – растяжение, растяжение или давление – невозможно устранить, слегка прогибаясь.Вместо этого образуются трещины: поэтому компоненты очень чувствительно реагируют на локальные перегрузки.

Именно поэтому ИПП искала структуры, способные разрядить местную напряженность.В качестве модели послужила армированная волокнами керамика: например, хрупкий карбид кремния становится в пять раз прочнее, если его армировать волокнами карбида кремния.После нескольких предварительных исследований ученый IPP Иоганн Риш должен был выяснить, может ли подобная обработка работать с металлическим вольфрамом.

Первым шагом было производство нового материала.Вольфрамовую матрицу пришлось армировать длинными волокнами с покрытием, состоящими из экструдированной вольфрамовой проволоки, тонкой, как волос.Провода, изначально предназначавшиеся для использования в качестве люминесцентных нитей для лампочек, поставлялись компанией Osram GmbH.В ИФП исследовались различные материалы для их покрытия, в том числе оксид эрбия.Полностью покрытые вольфрамовые волокна затем соединяли вместе, параллельно или сплетая.Чтобы заполнить зазоры между проволоками вольфрамом, Иоганн Риш и его коллеги разработали новый процесс совместно с английским промышленным партнером Archer Technicoat Ltd. В то время как вольфрамовые заготовки обычно спрессовываются из металлического порошка при высокой температуре и давлении, более был найден щадящий метод получения соединения: вольфрам наносится на провода из газовой смеси путем химического процесса при умеренных температурах.Это был первый случай успешного производства вольфрама, армированного вольфрамовым волокном, с желаемым результатом: вязкость разрушения нового соединения уже утроилась по сравнению с вольфрамом без волокон после первых испытаний.

Вторым шагом было исследование того, как это работает: решающим фактором оказалось то, что волокна перекрывают трещины в матрице и могут распределять локально действующую энергию в материале.Здесь границы между волокнами и вольфрамовой матрицей, с одной стороны, должны быть достаточно слабыми, чтобы разрушаться при образовании трещин, а с другой - достаточно прочными, чтобы передавать усилие между волокнами и матрицей.При испытаниях на изгиб это можно было наблюдать непосредственно с помощью рентгеновской микротомографии.Это продемонстрировало основное функционирование материала.

Однако решающим фактором полезности материала является сохранение повышенной прочности при его применении.Иоганн Риш проверил это, исследуя образцы, которые стали хрупкими в результате предварительной термической обработки.Когда образцы подвергались синхротронному излучению или помещались под электронный микроскоп, их растяжение и изгиб также подтвердили в этом случае улучшенные свойства материала: если матрица разрушается под напряжением, волокна способны перекрывать возникающие трещины и останавливать их.

Таким образом, устанавливаются принципы понимания и производства нового материала.Образцы теперь будут производиться в улучшенных технологических условиях и с оптимизированными интерфейсами, что является предпосылкой для крупномасштабного производства.Новый материал может представлять интерес и за пределами области термоядерных исследований.