Вольфрам особенно подходит в качестве материала для сильно нагруженных частей сосуда, содержащего горячую термоядерную плазму, так как это металл с самой высокой температурой плавления. Недостатком, однако, является его хрупкость, которая при нагрузке делает его хрупким и подверженным повреждениям. Институт физики плазмы им. Макса Планка (IPP) в Гархинге разработал новый, более эластичный композитный материал. Он состоит из однородного вольфрама с заделанными вольфрамовыми проволоками с покрытием. Только что технико-экономическое обоснование показало базовую пригодность нового соединения.
Целью исследований, проводимых в IPP, является разработка электростанции, которая, подобно солнцу, получает энергию от синтеза атомных ядер. В качестве топлива используется водородная плазма низкой плотности. Чтобы зажечь термоядерный огонь, плазма должна быть заключена в магнитные поля и нагрета до высокой температуры. В ядре достигается 100 миллионов градусов. Вольфрам является очень перспективным металлом в качестве материала для компонентов, вступающих в непосредственный контакт с горячей плазмой. Это было продемонстрировано обширными исследованиями в IPP. Однако до сих пор нерешенной проблемой была хрупкость материала: вольфрам теряет свою ударную вязкость в условиях силовой установки. Местное напряжение - напряжение, растяжение или давление - не может быть устранено за счет незначительной деформации материала. Вместо этого образуются трещины: поэтому компоненты очень чувствительно реагируют на локальную перегрузку.
Вот почему IPP искала структуры, способные распределять локальную напряженность. Моделью послужила керамика, армированная волокнами: 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 создание нового материала. Вольфрамовая матрица должна была быть армирована длинными волокнами с покрытием, состоящими из экструдированной вольфрамовой проволоки, тонкой, как волос. Провода, изначально предназначенные для использования в качестве светящихся нитей накаливания для лампочек, были поставлены Osram GmbH. В ИФП исследовались различные материалы для их покрытия, в том числе оксид эрбия. Затем полностью покрытые вольфрамовые волокна были собраны в пучки либо параллельно, либо плетены. Чтобы заполнить промежутки между проволоками вольфрамом, Иоганн Риш и его сотрудники разработали новый процесс совместно с английским промышленным партнером Archer Technicoat Ltd. Был найден щадящий метод получения соединения: вольфрам осаждается на проволоку из газовой смеси путем применения химического процесса при умеренных температурах. Это был первый случай успешного производства вольфрама, армированного вольфрамовым волокном, с желаемым результатом: после первых испытаний трещиностойкость нового соединения уже утроилась по сравнению с вольфрамом, не содержащим волокна..
Вторым шагом было исследование того, как это работает: решающим фактором оказалось то, что волокна перекрывают трещины в матрице и могут распределять локальную энергию в материале. При этом границы раздела между волокнами и вольфрамовой матрицей, с одной стороны, должны быть достаточно слабыми, чтобы прогибаться при образовании трещин, а с другой - быть 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.
Решающим фактором полезности материала является то, что повышенная прочность сохраняется при его применении. Иоганн Риш проверил это, исследуя образцы, которые были охрупчены в результате предварительной термической обработки. Когда образцы были подвергнуты синхротронному излучению или помещены под электронный микроскоп, их растяжение и изгибание также подтвердили в этом случае улучшенные свойства материала: если матрица разрушается при напряжении, волокна способны перекрывать возникающие трещины и останавливать их.
Таким образом устанавливаются принципы понимания и создания нового материала. Образцы теперь должны производиться в улучшенных условиях процесса и с оптимизированными интерфейсами, что является предпосылкой для крупномасштабного производства. Новый материал может представлять интерес и за пределами области термоядерных исследований.