面对等离子体钨铜功能梯度材料优化及性能研究

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1、ByZhuDahuanADissertationSubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofplasmaphysicsHefeiInstitutesofPhysicalScience，ChineseAcademyofSciencesNovember,2012声明本人呈交的学位论文《面对等离子体钨／铜功能梯度材材料优化及性能研究》，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成

2、果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。本人签名：致谢时光荏苒，岁月如梭。转眼问，研究生生活即将结束，一路走来，学习上有过困惑与明朗，生活中有过烦恼与快乐，幸而都有良师的支持与指导，也有同学的鼓励与分享。在他们的帮助下，我博士期间的工作才得以顺利完成，生活才会如此的丰富多彩。首先，我要感谢我的导师——陈俊凌研究员，无论在学业上还是生活上，他都给了我极

3、大的支持与关怀。俗话说“授人以鱼，不如授之以渔”，陈老师在对我严格要求的同时也为我们营造了一种自由的氛围，鼓励我们多想多做，不要怕犯错与失败，为我们创造了一个广阔的工作平台，使我不仅在知识上，而且在办事能力上都得到了明显提高。陈老师以其渊博的知识，严谨求实的工作作风，宽以待人，严于律己的生活态度，使我无论是在做学问还是在做人上都受益匪浅。在此我谨对陈老师表示最诚挚的感谢，并祝愿导师身体健康，工作顺心，事事如意。感谢托卡马克物理研究室的高翔研究员，龚先祖研究员，罗广南研究员，胡建生研究员，谢春意老师给我实验提供的便利与支持，以及他们的有益

4、建议。尤其要感谢真空组的吴金华，孙震等同学为我顺利开展实验提供的支持和帮助。感谢丁锐师兄、鄢容师妹，刘洋师弟，薛奎师弟和谢海师弟以及研究室其他同学在科研和生活上提供的支持和有益的帮助。感谢308办公室的全体同学，办公室和谐的氛围为我工作的开展提供了良好的条件。感谢北京科技大学的周张健教授，谭军博士以及屈丹丹同学在实验样品的制备上提供的宝贵意见与帮助；感谢大连理工大学的朱小鹏教授以及张锋刚博士在实验测试上为我提供的便利与帮助；感谢固体物理研究所的方前锋研究员，王先平研究员及其课题组的同学在实验上提供的方便以及有益的讨论。感谢中科院合肥物质

5、科学研究院研究生部的常昱红老师、李贵明老师等在学习和生活上提供的帮助与支持。最后再次感谢对我学习和工作给予支持与帮助的每一位人。面对等离子体钨／铜功能梯度材料优化与性能研究摘要钨／铜功能梯度材料(W／CuFGM)通过特殊的设计和构造，使成分和性能缓慢变化，它可以缓解制备和服役过程中由于热失配而产生的巨大热应力，延长材料的使用寿命，非常适合作为托卡马克面对等离子体材料。本文结合面对等离子体材料应用实际，开展了W／CuFGM优化及性能方面的研究。采用有限元分析方法(ANSYS10．0)对主动水冷W／Cu梯度模块进行了稳态热流下的温度场和应力

6、场模拟和分析。并与OFHC适配层和直接连接进行了对比，分析了梯度层的结构和成分对温度场和应力场的影响。结果表明，梯度层能够极大的缓和热应力和降低塑性应变，其缓和程度与梯度层厚度相关，热应力随梯度层厚度增加而先减小后增加。采用6film厚的4层梯度层，模块最大热应力降幅可达到70％，同时塑性应变完全消失，相比采用OFHC适配层更优。尽管梯度层的引入对热沉基体的温度影响较小，但是其造成表面温升却不容忽视，对6ranl的梯度层，模块表面温升可达20％。梯度层的结构和成分分析表明，热应力随层数(n)的增加先急剧减小，后缓慢变化渐至饱和；同时，热

7、应力随成分分布指数(p)的增加，先急剧减小，而后缓慢变化，随后急剧增加。对4ITUTI厚的梯度层，最优化的梯度层层数和成分分布指数为：n=4，p=2(富钨分布)。采用通电超高压烧结(RSUHP)方法制备了此类结构的全成分分布(0～100％)的W／CuFGM。材料总体致密度较高，可达98．5％，然而其纯钨层致密度相对较低，仅为95．7％；梯度界面清晰、过渡自然；成分呈现梯度变化，无明显迁移扩散；W相和Cu相弥散分布，无宏观偏析和团聚；梯度层各层结构和成分与设计值基本保持一致；梯度材料性能也呈现梯度变化规律；W／CuFGM的各层热导率可观，

8、总体热导率与层数有关，在较低的层数时(<4)，界面热阻对总体热导率影响较小，层数较多时，界面热阻影响较大，等效热导率下降明显。HT-7托卡马克边界等离子体辐照W／CuFGM约210炮之后，样品表面没有明显的