《Li基氚增殖陶瓷材料的結構設計和熱機械性能研究》是依託北京科技大學，由張迎春擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：Li基氚增殖陶瓷材料的結構設計和熱機械性能研究
- 依託單位：北京科技大學
- 項目負責人：張迎春
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鋰基陶瓷已經成為固態氚增殖劑的重要候選材料，開展新型鋰基陶瓷材料的研究對聚變堆包層設計以及聚變能的開發具有重要意義。項目擬突破傳統單相鋰基陶瓷的框架，採用氧化物摻雜改性和複合陶瓷材料結構設計的思路，利用新型石墨包覆法和膠態濕法成型技術研究新型Li基陶瓷增殖材料的製備工藝，理論基礎以及模擬服役條件下材料的熱物理和熱機械等性能。探索新型鋰基陶瓷晶粒尺寸與孔隙率協同控制的途徑及其對材料力學性能的影響，查明氧化物摻雜及複合對陶瓷材料晶體結構、顯微結構以及熱機械性能的影響和調控機理，獲得鋰基陶瓷材料的高溫蠕變、抗熱震性和熱膨脹特徵以及與結構材料的化學相容性。建立材料晶體結構-顯微結構-材料熱力學、熱機械性能的關聯性，尋求固態氚增殖陶瓷材料的性能調控機制和有效途徑，探索實用化固態氚增殖陶瓷材料。
結題摘要
隨著ITER計畫的實施，先進固態鋰基氚增殖陶瓷材料的研發也已經成為世界各國競爭的目標。本項目利用新型石墨包覆法等成型技術研究了新型鋰基陶瓷增殖材料的製備工藝，結構調控以及材料的熱物理和熱機械等性能。（1）陶瓷微球晶粒生長機理顯示Li4SiO4微球晶粒生長由體擴散控制，Li2TiO3微球晶粒生長由氣相傳質控制，Li2TiO3微球強度隨著晶粒尺寸減小而增加，可表達為：ln σ=4.33-0.12ln G。（2）研究了氧化物摻雜對Li4SiO4微球性能的影響。Y2O3和Nb2O5摻雜時，Nb2O5會與原料中的Li2CO3反應生成Li3NbO4，並且聚集在晶界的Li3NbO4和Y2O3都能抑制Li4SiO4微球晶粒生長，提升微球的抗壓強度。Nb2O5的抑制效果優於Y2O3。Al2O3摻雜時，僅採用Li5AlO4和Li4SiO4為原料才能夠獲得Li4+xAlxSi1−xO4固溶體微球。摻雜可明顯提升Li4SiO4微球鋰含量，改善微球的密度和抗壓強度。（3）在1100℃成功製備了核殼結構(1−y)Li4SiO4–yLi2TiO3微球（殼部為Li2TiO3，核部為Li2TiO3與Li4SiO4）。當y=50%時，Li2TiO3顯著抑制了微球晶粒的生長，提高了抗壓強度，達到了104.79 N。採用Sol-Gel法可以獲得富鋰的Li4SiO4-Li2O兩相包覆粉體（Li2O包裹著Li4SiO4）。（4）Li2TiO3和Li4SiO4微球與ODS鋼的化學相容性顯示兩種微球中的Li和O原子均會通過擴散和揮發移動至ODS鋼表面，並與ODS鋼中的Fe元素和Cr元素反應生成腐蝕層，微球的抗壓碎強度會隨著服役溫度的升高而下降, 兩種微球與SiC之間不存在界面反應。（5）在500℃保溫300小時，Li2TiO3和Li4SiO4微球均觀察到蠕變變形行為，Li4SiO4微球變形量高於Li4SiO4微球，600℃熱震10次後，Li2TiO3、Li4SiO4和複合微球的抗壓強度均呈現下降趨勢，在400-600℃溫區，Li4SiO4具有較低的熱膨脹係數，而高於600℃，則50%Li4SiO4- 50% Li2TiO3和Li2TiO3具有更小的熱膨脹係數。本項目獲得的氚增殖劑材料性能數據可以為我國聚變實驗包層模組的設計提供重要的實驗基礎。
