HT—7U石墨材料在HT—7超导托卡马克装置的先行实验

通过对1种新型石墨材料进行等离子体轰击实验，近似计算出材料的热导率大约为70W/mK，石墨可以承受高达2．41MW/m2的能流密度（实验中最大值），模头位置及波加热条件下，石墨受等离子体轰击程度的不同，石墨材料的抗轰击能力及抗溅射能力都比较，在长时间等离子体轰击的情况下，由石墨材料产生的杂质足够低，不影响等离子体放电，基本上满足装置正常运行的要求。     

HT-7超导托卡马克第1壁B/C膜吸O性研究

通常在托卡马克第1壁沉积1层B膜,以降低托卡马克等离子体的O杂质。在HT-7第1壁位置处放了几个石墨样品,它们与HT-7一起硼化。硼化后取出部分样品膜,剩余样品留在真空室接受聚变等离子体的轰击。对鲜膜和轰击膜进行XPS分析,发现在成膜过程中B膜开始吸O;等离子体轰击时,B膜进一步吸O。O在膜中与B以化合态B2O3形式存在。并对实际中存在的一些问题进行了探讨。     

超导托卡马克EAST限制器材料的腐蚀与沉积的研究

在磁约束聚变实验装置托卡马克中,第一壁材料直接面对高温等离子体,承受高能粒子的轰击。随着聚变装置等离子体存在时间的延长及辅助加热功率的增加,第一壁材料腐蚀和沉积将会越来越严重。材料的腐蚀一方面会污染等离子体影响聚变等离子体的品质,另一方面将危害装置的安全运行。为了提高材料的物理和化学溅射阈值,超导托卡马克东方超环(EAST)装置上选用掺杂碳化硅涂层石墨作为第一壁材料。本实验通过离子束表面分析方法,研究了EAST装置中限制器石墨材料的腐蚀与沉积特性,结果显示在累计大约36000s的等离子体实验中,安装在限制器上的标记瓦块近1μm的碳涂层基本被腐蚀,其腐蚀速率超过0.0278 nm/s。     

石墨第一壁化学腐蚀的温度特性

石墨的化学腐蚀实验是在ＬＡＳ－２０００二次离子质谱仪的分析室中进行的，入射高能氘离子束单独轰击或和一中和电子束联合轰击石墨以模拟等离子体辐照。石墨样品的温度从３００～１０００Ｋ可调。石墨样品是从进行过氢离子辐照实验的ＳＭＦ－８００石墨第一壁组件上切割下来的，它在氘束轰击下释放的产物（Ｍｅ－１＝２～４４范围内）用四极质谱探头ＳＱ１５６进行原位的分子束质谱分析，得到了在１．３μＡ／３ｋｅＶ氘束轰击下石墨样品释放氘甲烷（ＣＤ４）的温度特性，在７８０Ｋ温区有一个因增强的化学腐蚀而形成的释放高峰。分析研究了氘甲烷的温度特性     

HT—7超导托卡马克第一壁硼化膜扫描电镜（SEM）分析

ＨＴ－７超导托卡马克采用了原位气相沉积法在其内真空第一壁沉积一层含硼膜，在与第一壁同样径向位置处放了几个不锈钢和石墨样品，以取样第一壁上沉积的鲜膜和经过等离子体轰击的轰击膜，并对它们进行扫描电镜分析，扫描电镜图反映了硼化膜的形貌和等离子体对第一壁的多种作用，从而充分地证实了膜对第一壁的保护作用。     

HT—7超导托卡马克第1壁B／C膜吸O性研究

通常在托卡马克第1壁沉积1层B膜，以降低托卡马克等离子体的O杂质，在HT－7第1壁位置处放了几个石墨样吕，它们与HT－7一起硼化，硼化后取出部分样品膜，剩余样品留在真空室接受聚变等离子体的轰击，对鲜膜和轰击膜进行XPS分析，发现在成膜过程中B膜开始吸O；等离子体轰击时，B膜进一步吸O，O在膜中与B以化合态B2O3形式存在，并对实际中存在的一些问题进行了探讨。     

用不同方法沉积在细晶粒石墨上的钨膜的性能

在磁约束核聚变中,面向等离子体的部件必需能承受高的热载荷(在转向器中高达1 0MW/m2),且在高能等离子体轰击下溅射量低.目前大多数实验装置都使用石墨或碳纤维增强复合材料制作这类部件.碳具有优良的热物理性能,能承受高的热载荷.在氢轰击下具有低辐射冷却势,且在核聚变的典型等离子体温度下完全电离,不产生射线.但对使用氚的反应器却遇到了困难:碳的腐蚀及随后沉积形成的非晶碳氢化合物层会导致反应器内残留氚过量.     

HT-6M抽气限制器的设计及实验

对托卡马克抽气限制器的原理以及设计原则进行了详细论述。对抽气限制器及等离子体行为的影响、边界粒子排灰效率进行了论述和计算，设计出一个小而灵活的HT-6M抽气限制器，并在装置上进行了初步的物理实验。明显地观测到等离子体参数的改善，密度极限从2.4×1013／cm3上升到2.8×1013／cm3。等离子体能量及粒子约束时间都得到改善，从而证明抽气限制器是个非常有效的粒子控制部件。     

HT-7托卡马克中锂第一壁研究的先行试验

为了抑制等离子体杂质和减少粒子再循环,获得高品质的等离子体,HT-7超导托卡马克将进行锂限制器实验。为此需要在实验台上开展一些先行试验,以掌握锂材料操作的关键工艺;在加热和直流辉光放电下,借助光谱仪及膜厚仪得到温度与锂熔化、挥发、沉积之间的关系。实验表明在锂温度低于300℃的情况下,锂挥发不明显;从300℃到360℃,挥发速度逐渐加快;当锂温度高于370℃,锂挥发急剧增加。利用蒸发镀膜和直流辉光放电等离子体镀膜,在真空室壁沉积了约300nm的锂膜,装置真空明显改善,表明锂膜对各种气体有很强的吸附和抑制作用。实验表明锂是托卡马克装置第一壁的理想材料之一,可以用于抑制等离子体中杂质,降低氢同位素再循环,提高等离子体性能。采用锂作为HT-7限制器,有必要在安装过程中采用氩气保护,以避免锂的氧化,同时在实验期间应避免锂限制器温度过高,以防止锂的快速蒸发。     

氘束轰击石墨化学腐蚀的实验研究

石墨的化学腐蚀实验是在ＬＡＳ－２０００二次离子质谱仪的分析室中进行的，入射氘离子束以３ｋｅＶ的能量单独轰击或和一中和电子束联合辐照石墨，石墨温度从３００－１０００Ｋ可调。石墨在辐照下释放的产物用四极质谱探头进行了原位的分子束质谱分析，得到了１．３μＡ／３ｋｅＶ氘束轰击下石墨释放氘甲烷（ＣＤ４）温度特性，在７８０Ｋ处有一个释放高峰。分析研究了氘甲烷的温度特性，提出氘甲烷产额γ除与石墨表面的氘原子密度     

Relationship between structure and thermal fatigue in cast iron

Abstract

Thermal fatigue of a material is determined by rupture stress, the elasticity modulus, heat conductivity, and thermal expansion. In addition to thermal expansion, one has to consider also the volume changes as a result of phase transformations. It is known that high rupture stress and high heat conductivity result in high resistance to thermal fatigue. A high Young's modulus and high thermal expansion give low resistance to thermal fatigue. Cast iron is a composite material, consisting mostly of graphite, ferrite, and cementite. The graphite can occur in a number of different morphologies. It can be spherical, as in ductile cast iron, it can be flakelike, as in flake cast iron, but it can also be rodlike, as in vermicular or undercooled graphite. Many of the properties important for thermal fatigue are influenced by the shape of the graphite. By using various models to explain the properties of composite materials, the changes in the properties of cast iron as a function of graphite shape are analysed. The analytical results are compared with experimental results. It is shown that the elasticity modulus and thermal expansion are lowest for flake graphite and that thermal conductivity is highest for this material. The conclusion is that grey cast iron has a better resistance to thermal fatigue than vermicular as well as nodular cast irons, in spite of its lower rupture stress.

MST/783     

基于SLS的高强度低密石墨陶瓷复合隔热材料快速制备

本文率先利用选择性激光烧结技术快速制备了高强度石墨陶瓷复合隔热材料,重点研究了二次固化、真空压力浸渍、碳化和高温烧结等后处理工艺以及材料配方组成对其密度、抗压强度和导热系数的影响。研究发现加入适量的硅粉和可膨胀石墨可以对石墨陶瓷复合隔热材料的密度、抗压强度和导热系数进行调控,采取合适后处理工艺路线可以改变石墨陶瓷复合隔热材料的综合性能。最终实现了低密度(<1.2 g/cm^3)、高抗压强度(>10 MPa)、低的导热系数(<2 W/(m·K))和耐高温(>1650℃)等多个性能指标的统一,满足了工业应用需求。     

梯度复合SiC/C面向等离子体材料的制备与表征

利用粉末冶金方法，完成了SiC和C两种难烧结物质的同步烧结，制备出了SiC成分分布从0％～100％的接近理论密度的SiC／C FGM，显微观察显示材料的成分和结构是呈梯度分布的．材料将SiC的良好的耐腐蚀性和石墨的良好的抗热冲击性结合在一起，并具有较高的有效热导和良好的抗热疲劳能力，化学溅射和Tokamak原位等离子体辐照结果显示材料具有良好的耐高温等离子体冲刷性能．     

石墨渗铜喉衬材料抗热震性能评价

介绍了粗粒级石墨高温加压渗铜工艺研究，对石墨渗铜材料及通用的五种石墨材料进行了抗热震性能评价。结果表明，石墨渗铜材料具有较好的抗热震性能，解决了高性能战术导弹和航天飞行器高压强大流量固体火箭发动机（ＳＲＭ）喉衬材料的关键技术。     

Measurement of the Thermal Diffusivity of an Anisotropic Graphite Sheet Using a Laser-Heating AC Calorimetric Method

The thermal diffusivity of a graphite sheet having an extremely high anisotropy has been measured by a laser heating AC calorimetric method in the temperature range from 30 to 350 K. This graphite sheet has characteristics of high thermal diffusivity and high anisotropy, and it is only 100 m thick. Thus, it is difficult to apply the conventional AC technique. Therefore, we propose a simultaneous measurement method for the in-plane and out-of-plane thermal diffusivities, by analyzing the three-dimensional heat conduction process, which contains the effects of anisotropy and thermal wave reflections. This method was verified by checking with thermal diffusivity measurements of isotropic materials such as stainless steel and pure copper and was then applied to the anisotropic thermal diffusivity measurement of the graphite sheet.     

Thermo-physical Properties of Continuous Carbon Fiber Reinforced Copper Matrix Composites

Continuous carbon fiber reinforced copper matrix composites with 70％(volume fraction)of carbon fibers prepared by squeeze casting technique have been used for investigation of the coefficient of thermal expansion(CTE)and thermal conductivity．Thermo-physical properties have been measured in both, longitudinal and transversal directions to the fiber orientation．The results showed that Cf／Cu composites may be a suitable candidate for heat sinks because of its good thermo-physical properties e．g．the low CTE(4.18×10-6／K)in longitudinal orientation and(14．98×10-6／K)in transversal orientation at the range of 20-50℃，a good thermal conductivity(87．2 W／m·K)in longitudinal orientation and(58．2 W／m·K)in transversal orientation．Measured CTE and thermal conductivity values are compared with those predicted by several well-known models．Eshelby model gave better results for prediction of the CTE and thermal conductivity of the unidirectional composites．     

High thermal conductivity diamond coated graphite by microwave plasma chemical vapour deposition

Diamond film was grown on high thermal conductivity graphite substrate using microwave plasma chemical vapour deposition method. Nanodiamond particles were uniformly seeded on the substrate to generate high nucleation density by a spray gun. The continuous and high purity diamond film was obtained, and growth rate was up to 2.7 μm h^??1. The thickness, surface morphology, quality and composite phase of the film were analysed by SEM, Raman and X-ray diffraction. It was shown that graphite coated with diamond presented a higher thermal conductivity (520?W?m^??1 k^??1) than copper. Furthermore, this coated material with high thermal conductivity, good strength and non-conductive surface will make it possible to be widely used in thermal management field.     

基于新型防热机理的防热材料的设计与试验验证

传统的防热材料大多是依靠材料自身的高熔点"忍受"热流或依靠缓慢烧蚀来被动地延长寿命的,这些材料因其密度大或耐氧化不足等问题已经不能满足飞行器设计者的期望,突破传统的被动式防热的思路从防热机理的源头上探索新的思路或许可以找到可行的技术途径。作者设计了一个新的材料体系——耗散防热材料,即在石墨中加入还原性金属,在烧蚀过程中还原性金属耗散热量,同时耗散外界的氧,自发生成氧化物陶瓷膜。新的材料设计的思想是"利用"热流而不是单纯"忍受"热流,初步试验验证表明,在廉价的石墨渗入耗散剂——铝制备的耗散防热材料,在2 900℃,4 MW/m2热焓值烧蚀下,线烧蚀率仅为传统C/C的1/10。其耗散防热原理包含了以往的汇热防热、辐射防热、烧蚀防热、发汗防热等防热形式,增加了相变反应防热,是一种新的防热原理,这种高效能、低成本的材料预计具有很好的应用前景,也将推动非平衡条件下的金属化学基础理论突破。本材料研究的科学问题,涉及高温、高压、高速气流冲刷等非平衡状态的化学反应问题、金属流动问题等,这些问题的研究必将推动材料科学与传热学、流体力学、燃烧化学、气动力学等学科的交叉互动和新的发展。     

柔性石墨双极板透气性的研究

由于柔性石墨材料具有耐腐蚀特性 ,与电极、电解质不发生作用 ,并具有重量轻、厚度小、导电、导热性能好的优点 ,是制造质子交换膜燃料电池双极板理想的材料。由于燃料电池双极板还要求严格的阻气性能 ,本文通过对柔性石墨制造双极板的研究 ,提出了相对透气系数的概念以表征柔性石墨材料的阻气性能。并利用自行组装的测试设备研究了柔性石墨板密度、厚度以及空气压力差对相对透气系数的影响。研究结果证明柔性石墨材料具有很小的相对透气系数 ,并且阻气性能稳定。     

钾明矾热传导性能的研究与改善

钾明矾作为固-液相变材料存在热传导性能差的缺点.目前应用高导热性能的石墨进行改进的研究中存在石墨用量过大(一般10%～20%)的问题.通过改性石墨与相变材料的复合使相变材料的热传导性能得到提高,并使改性石墨的用量降低到5%,可将相变时间缩短72.8%.