Вольфрам особливо підходить як матеріал для сильно напружених частин посудини, що містить плазму гарячого синтезу, оскільки це метал з найвищою температурою плавлення.Однак недоліком є ​​його крихкість, яка під впливом навантаження робить його крихким і схильним до пошкоджень.Інститут фізики плазми Макса Планка (IPP) у Гархінге розробив новий, більш стійкий складний матеріал.Він складається з однорідного вольфраму з вбудованими вольфрамовими дротами з покриттям.Техніко-економічне обґрунтування щойно показало базову придатність нової суміші.

Метою досліджень, які проводяться в IPP, є розробка електростанції, яка, як і сонце, отримує енергію від синтезу атомних ядер.В якості палива використовується воднева плазма низької щільності.Щоб запалити термоядерний вогонь, плазму потрібно утримати в магнітних полях і нагріти до високої температури.В ядрі досягається 100 мільйонів градусів.Вольфрам є дуже перспективним металом як матеріал для компонентів, що безпосередньо контактують з гарячою плазмою.Це було продемонстровано широкими дослідженнями IPP.Проте досі невирішеною проблемою була крихкість матеріалу: вольфрам втрачає свою міцність в умовах електростанції.Місцеві напруги – розтягнення, розтягнення або тиск – не можуть бути усунені, якщо матеріал трохи поступиться.Натомість утворюються тріщини: тому компоненти дуже чутливо реагують на локальне перевантаження.

Тому IPP шукав структури, здатні розподілити локальну напругу.Кераміка, армована волокнами, слугувала моделями: наприклад, крихкий карбід кремнію стає вп’ятеро міцнішим, якщо його армувати волокнами карбіду кремнію.Після кількох попередніх досліджень вчений IPP Йоганн Ріш мав дослідити, чи можна подібне лікування працювати з металевим вольфрамом.

Першим кроком було виробництво нового матеріалу.Вольфрамова матриця повинна була бути посилена довгими волокнами з покриттям, що складалися з екструдованого вольфрамового дроту, тонкого як волос.Дроти, спочатку призначені як люмінесцентні нитки для лампочок, постачалися Osram GmbH.В ІПП досліджувалися різні матеріали для їх покриття, в тому числі оксид ербію.Потім повністю покриті вольфрамові волокна з’єднували разом, паралельно або сплітаючи.Щоб заповнити проміжки між дротами вольфрамом, Йоганн Ріш та його колеги розробили новий процес у співпраці з англійським промисловим партнером Archer Technicoat Ltd. У той час як вольфрамові заготовки зазвичай пресують разом із металевого порошку при високій температурі та тиску, більше Було знайдено щадний спосіб отримання сполуки: вольфрам осаджують на дроти з газової суміші шляхом застосування хімічного процесу при помірних температурах.Це був перший випадок успішного виробництва армованого вольфрамовим волокном вольфраму з бажаним результатом: після перших випробувань в’язкість нової суміші вже потроїлася порівняно з вольфрамом без волокна.

Другим кроком було дослідити, як це працює: вирішальним фактором виявилося те, що волокна перекривають тріщини в матриці та можуть розподіляти локально діючу енергію в матеріалі.Тут межі розділу між волокнами та вольфрамовою матрицею, з одного боку, мають бути досить слабкими, щоб поступитися, коли утворюються тріщини, а з іншого боку, бути достатньо міцними, щоб передати силу між волокнами та матрицею.У випробуваннях на вигин це можна спостерігати безпосередньо за допомогою рентгенівської мікротомографії.Це продемонструвало основне функціонування матеріалу.

Однак вирішальним для корисності матеріалу є те, що підвищена міцність зберігається під час його нанесення.Йоганн Ріш перевірив це, досліджуючи зразки, які були крихкі внаслідок попередньої термічної обробки.Коли зразки були піддані синхротронному випромінюванню або поміщені під електронний мікроскоп, їх розтягування та згинання також підтвердили в цьому випадку покращені властивості матеріалу: якщо матриця руйнується під впливом напруги, волокна здатні перекрити тріщини, що виникають, і зупинити їх.

Таким чином, принципи розуміння та створення нового матеріалу встановлені.Зразки тепер мають бути виготовлені в покращених умовах процесу та з оптимізованими інтерфейсами, що є необхідною умовою для великомасштабного виробництва.Новий матеріал також може представляти інтерес за межами області досліджень термоядерного синтезу.