一种具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件

摘要

本发明公开了一种具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件，该钨铜片构件包括钨片、无氧铜(OFHC‑Cu)、钨纤维网，其中，无氧铜和钨纤维网组成钨纤维增强铜基复合层，附着在钨片的表面。该钨铜片构件制作方法采用液相渗铜法：首先将钨片放置在制备装置最底层，然后在钨片上表面交替排布带槽孔的高熔点金属薄片和钨纤维网，同时可根据使用需求，设计钨纤维网编织方式、钨纤维网及带槽孔的高熔点金属薄片厚度，最上层放置无氧铜，然后在真空状态下升温渗铜，一步制造出用于聚变反应堆的具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件。

权利要求

1.在一种钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件制作装置，其特征在于，包括：坩埚盖和坩埚容器，所述坩埚容器内放置有不锈钢工装上部、不锈钢工装下部；所述的不锈钢工装上部开有多个光滑孔，所述不锈钢工装下部对应位置开有多个螺纹孔；

所述的不锈钢工装上部、不锈钢工装下部之间用于放置钨片、钨纤维网、带槽孔的高熔点金属薄片。

2.一种用于聚变反应堆的具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件的制作方法，该钨铜片构件制作方法采用液相渗铜法，且利用权利要求1所述的装置，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、首先将钨片放置在制备装置不锈钢工装下部的上表面预留的凹槽内；

步骤2、在钨片上表面交替排布带槽孔的高熔点金属薄片和钨纤维网，在最上层放置无氧铜；

步骤3、安装不锈钢工装上部，利用螺钉穿过光滑孔，将钨纤维网和高熔点金属薄片固定在不锈钢工装下部的螺纹孔中，在真空状态下升温渗铜，一步制造出用于聚变反应堆的具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件。

3.根据权利要求2所述的具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件的制作方法，其特征在于：

钨纤维网用相同直径的钨纤维，或选用不同直径的钨纤维组合编织，即得到不同厚度的钨纤维网；针对钨纤维网孔径，即相邻平行方向的钨纤维间距，根据需求，编织不同孔径的钨纤维网，即可控制钨纤维网的目数。

4.根据权利要求2所述的具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件的制作方法，其特征在于：

钨纤维网的钨纤维编织角度，为相互垂直编织，或钨纤维交叉倾斜角度编织。

5.根据权利要求2所述的具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件的制作方法，其特征在于：

针对钨纤维网编织结构，为平纹/斜纹/缎纹编织之一。

6.根据权利要求2所述的具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件的制作方法，其特征在于：

带槽孔的高熔点金属薄片，采用不锈钢片或钼片；通过调整带槽孔的高熔点金属薄片厚度，控制复合材料中凝固成型的纯铜厚度，即易于调控复合材料中作为基体的无氧铜、作为增强体的钨纤维网的体积分数。

7.根据权利要求2所述的具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件的制作方法，其特征在于：

在平板型面向等离子体部件常用的钨铜片内，规律放置二维平面方向的钨纤维网，实现二维方向上对铜中间层力学性能的增强，提升高温环境下钨纤维网增强铜基复合材料的抗蠕变能力。

说明书

一种具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于聚变反应堆的具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件、制作装置及其制作方法。

背景技术

[0002] 可控核聚变能是未来能源发展的重要研究方向，偏滤器是控制聚变反应堆能量流、粒子流、杂质和氦灰的核心部件，面向等离子体部件是偏滤器区域中直接与等离子体相
互作用的部件，其所处的极端热流环境(表面热负荷和中子热负载)要求材料必须具有高热
导性和高机械强度，因此急需研发出适用于高温环境的抗蠕变材料。目前针对热负荷较低
的区域，平板型面向等离子体部件是一种可行且低成本的解决方案，其主要是以钨部件结
合高强高导热铜基(如沉淀强化的CuCrZr合金)板状热沉中通入循环冷却剂来实现高效散
热，为了缓解钨部件/铜热沉两者热膨胀系数失配而导致界面开裂的问题，常在钨部件/铜
热沉之间增添中间过渡层(通常为无氧铜)，以缓释热应力。因此目前平板型面向等离子体
部件主要结构为钨面向等离子体材料、纯铜中间层、铜合金热沉等。纯铜中间层具有高热导
率，但在聚变堆高温环境中长期服役，易发生高温蠕变，即发生塑性变形甚至断裂。

[0003] 为了增强纯铜中间层的高温力学性能，目前研究提出了钨颗粒、钨纤维、SiC颗粒、SiC纤维等增强铜基复合材料的解决方案，其中SiC增强体的热导率相当低，导致复合材料
整体传热性能降低。钨纤维具有优异的抗拉强度(极限拉伸强度达到2.3‑2.5GPa)、出色的
弯曲柔韧性和延展性，与其它类型的高强纤维相比具有较高的水平。此外，钨纤维还具有热
导率相对较高，在铜中具有优异的润湿性和不溶性，且钨铜两者熔点存在明显差异，有利于
采用液态铜熔体渗透的方式，制造出高温力学性能显著提升，热导率也能有所保障的钨纤
维增强的铜基复合材料。

[0004] 目前，钨纤维增强平板型铜中间层的设计，多采用单根钨纤维沿冷却剂流动方向平行排列，此种排列结构，因钨纤维直径较小，不易按尺寸规律放置，因而具有随机性，且只
具有一维方向的增强效果，导致复合材料整体的高温力学性能仍有待提升。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种用于聚变反应堆的具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件、制作装置及其制作方法，以解决现有纯铜中间层高温力学性能不足的问题。

[0006] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种用于聚变反应堆的具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件，该钨铜片构件包括钨片、钨纤维网、无氧铜(OFHC‑
Cu)依次连接，其中，无氧铜和钨纤维网组成钨纤维增强铜基复合层，附着在钨片的表面。

[0007] 根据本发明的另一方面，还提出一种钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件制备装置，包括：

[0008] 坩埚盖和坩埚容器，所述坩埚容器内放置有不锈钢工装上部、不锈钢工装下部；所述的不锈钢工装上部开有多个光滑孔，所述不锈钢工装下部对应位置开有多个螺纹孔；

[0009] 所述的不锈钢工装上部、不锈钢工装下部之间用于放置钨片、钨纤维网、带槽孔的高熔点金属薄片。

[0010] 本发明还提出一种用于聚变反应堆的具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件的制作方法，该钨铜片构件制作方法采用液相渗铜法，且利用前述所述的装置，包括如下
步骤：

[0011] 步骤1、首先将钨片放置在制备装置不锈钢工装下部的上表面预留的凹槽内；

[0012] 步骤2、在钨片上表面交替排布带槽孔的高熔点金属薄片和钨纤维网，在最上层放置无氧铜；

[0013] 步骤3、安装不锈钢工装上部，利用螺钉穿过光滑孔，将钨纤维网和高熔点金属薄片固定在不锈钢工装下部的螺纹孔中，在真空状态下升温渗铜，一步制造出用于聚变反应
堆的具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件。

[0014] 进一步的，钨纤维网用相同直径的钨纤维，或选用不同直径的钨纤维组合编织，即得到不同厚度的钨纤维网；针对钨纤维网孔径，即相邻平行方向的钨纤维间距，根据需求，
编织不同孔径的钨纤维网，即可控制钨纤维网的目数。

[0015] 进一步的，钨纤维网的钨纤维编织角度，为相互垂直编织，或钨纤维交叉倾斜角度编织。

[0016] 进一步的，针对钨纤维网编织结构，为平纹/斜纹/缎纹编织之一。

[0017] 进一步的，带槽孔的高熔点金属薄片，采用不锈钢片或钼片；通过调整带槽孔的高熔点金属薄片厚度，控制复合材料中凝固成型的纯铜厚度，即易于调控复合材料中作为基
体的无氧铜、作为增强体的钨纤维网的体积分数。

[0018] 进一步的，在平板型面向等离子体部件常用的钨铜片内，规律放置二维平面方向的钨纤维网，实现二维方向上对铜中间层力学性能的增强，提升高温环境下钨纤维网增强
铜基复合材料的抗蠕变能力。

[0019] 有益效果：

[0020] 与现有技术相比，本发明的优点为：采用本发明的技术方案，即二维钨纤维网增强的铜中间层的力学性能增强效果，比此前的一维单根钨纤维平行排列的增强效果更好。可
根据使用需求，设计钨纤维网编织方式，结合调整带槽孔的高熔点金属薄片厚度，进而调控
复合材料中纯铜(基体)、钨纤维(增强体)的体积分数。同时，利用液相渗铜法，可一步制造
含有抗高温蠕变性能的用于聚变反应堆的具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件。

附图说明

[0021] 图1为钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件制备装置结构示意图，其中：

[0022] 图1(a)为立体透视图，图1(b)为主视图，图1(c)为侧视图。

[0023] 图2为钨纤维网结构示意图，其中：图2(a)为平面图，图2(b)为侧视图。

具体实施方式

[0024] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于
本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其
他实施例，都属于本发明的保护范围。

[0025] 根据本发明的实施例，一种用于聚变反应堆的具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件，包括钨片、无氧铜(OFHC‑Cu)、钨纤维网。按尺寸规律编织的钨纤维网，分层排布
在预制的工装上。

[0026] 为了控制钨纤维网的间距，即控制钨纤维网间的纯铜层厚度，在钨纤维网间交替放置带槽孔的高熔点金属薄片(如不锈钢片、钼片等)，而且，槽孔尺寸与钨铜片构件尺寸一
致。将放有钨纤维网、无氧铜、带槽孔的高熔点金属薄片、不锈钢工装的坩埚，放入加热炉
中，采用液相渗铜法，在1200‑1300℃的氢气气氛中加热0.5‑5小时，并在真空中保温0.5‑5
小时，无氧铜熔化，并在重力作用下渗透穿过钨纤维网，因铜与钨良好的润湿性，制备出致
密的钨纤维网增强铜基复合材料。为了获得平板型面向等离子体部件常用的钨铜片，在工
装内的钨纤维网下部放置钨片，利用液相渗铜法，一步制备出用于聚变反应堆的具有钨纤
维网增强铜基复合层的钨铜片构件。

[0027] 如图1(a)‑图1(c)所示，根据本发明的实施例，提出一种钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件制作装置，包括坩埚盖1、坩埚容器2、光滑孔3、无氧铜4、不锈钢工装上部5、不
锈钢工装下部6、钨片7、螺纹孔8、钨纤维网9、带槽孔的高熔点金属薄片10。

[0028] 具体在制备时，包括如下过程：

[0029] 在坩埚容器2中，首先将钨片7放入带有螺纹孔8的不锈钢工装下部6预留好的凹槽中，再依次交替分层放置带槽孔的高熔点金属薄片10、钨纤维网9，之后，放入带有光滑孔3
的不锈钢工装上部5，再在不锈钢工装上部5预留的开孔中放入无氧铜4，此时用螺钉依次插
入光滑孔3、钨纤维网9、带槽孔的高熔点金属薄片10、螺纹孔8，以固定压实不锈钢工装上部
5、不锈钢工装下部6。最后在坩埚容器2上加盖坩埚盖1，将工装放入加热炉中，利用液相渗
铜法，制备具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件。

[0030] 参见图2(a)‑图2(b)所示，钨纤维网9按规律尺寸编织，并按设计间隔尺寸交替排布带槽孔的高熔点金属薄片10和钨纤维网9，实现增强体钨纤维网9在基体内的规律放置，
同时，可设定带槽孔的高熔点金属薄片10的厚度，即实现控制纯铜的体积分数，提升结构设
计的精准度；从之前的单根纤维一维方向的增强，升级为片状钨纤维网的二维方向的增强，
提升了对铜中间层的增强功效；

[0031] 钨纤维网9的编织可按需求设计。针对钨纤维的直径，根据需求，编织时可选用相同直径的钨纤维，或选用不同直径的钨纤维组合编织；针对钨纤维网9的孔径，即相邻平行
方向的钨纤维间距，根据需求，可编织不同孔径的钨纤维网9，即可控制钨纤维网9的目数。
针对钨纤维编织角度，根据需求，可使钨纤维相互垂直编织，或钨纤维交叉倾斜角度编织。
针对钨纤维网编织结构，根据需求，可开展平纹，或斜纹，或缎纹编织。

[0032] 带槽孔的高熔点金属薄片10，可采用不锈钢片或钼片，或其他高熔点金属薄片。所述槽孔的位置对应于不锈钢工装上部5预留的开孔；同时，可通过调整带槽孔的高熔点金属
薄片10厚度，控制复合材料中凝固成型的纯铜厚度，即易于精准调控复合材料中纯铜(基
体)、钨纤维(增强体)的体积分数。(根据热负荷高/低需求，即换热效率要求高/低的要求，
在热负荷高的区域，为提高抗蠕变能力，相应增加钨纤维的体积分数，在热负荷低的区域，
抗蠕变需求较低时，为降低材料成本，可相应降低钨纤维的体积分数。)

[0033] 钨纤维网9可在二维方向上增强铜中间层的力学性能，提升高温环境下的复合材料抗蠕变能力。

[0034] 在工装内的钨纤维网9下部放置钨片7，利用液相渗铜法，一步制备具有钨纤维网9的增强铜基复合层的钨铜片构件。通过本发明液相渗铜法一步制得的具有钨纤维网增强铜
基复合层的钨铜片构件，使得聚变堆面向等离子体部件的铜中间层在高温环境下长期服役
的力学性能有所提升，由于钨纤维自身具有较高的热导率，使复合材料的热导率符合部件
的换热需求。

[0035] 本发明的钨铜片构件制备装置具体结构不定，尺寸不限于特定的数值，以下所述仅为本发明的较佳实施实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的
任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

[0036] 实施例一：

[0037] 如图1(a)‑图1(c)所示，图1给出了一种类型的钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件制备装置优选实施例：该钨铜片构件制备装置厚度为21mm，长度和宽度都为90mm，首先
在坩埚容器2中，放入不锈钢工装下部6(厚度为10mm，上表面开有三个长度45mm、宽度12mm、
深度2mm的凹槽，并在矩形工装四个顶角处，对称开距离工装侧边8.5mm的M8贯穿螺纹孔8)，
将三块钨片7(厚度2mm、长度45mm、宽度12mm)放入凹槽。再将交替叠加共计1mm的带槽孔的
高熔点金属薄片10和钨纤维网9放在不锈钢工装下部6上部，其中单层钨纤维网9采用相同
直径为0.05mm的钨纤维，通过平纹方式编织，钨纤维网9厚度为0.1mm、长度和宽度都为
90mm，孔径为0.4mm(如图2)。带槽孔的高熔点金属薄片10为厚度0.1mm的钼片，开有三个长
度45mm、宽度12mm的矩形贯穿孔，即五层带槽孔的钼片10和五层钨纤维网9交替叠加。之后
将不锈钢工装上部5(厚度为10mm、开有三个长度45mm、宽度12mm的矩形贯穿孔，并在矩形工
装四个顶角处，对称开与螺纹孔8相同轴心的直径9mm的圆形贯穿光滑孔3)放在交替叠加的
带槽孔的高熔点金属薄片10和钨纤维网9上，将三块无氧铜4(厚度为10mm、长度45mm、宽度
12mm)放入不锈钢工装上部5中的三个贯穿孔中，此后再将M8螺钉插入光滑孔3和螺纹孔8，
以固定压实钨纤维网9和带槽孔的钼片10；将坩埚盖1放在在坩埚容器2上部盖实，放入加热
炉中，利用液相渗铜法，无氧铜4在1200℃的氢气气氛中加热0.5小时，并在真空中保温0.5
小时，熔化，并在重力作用下渗透穿过钨纤维网，填补钨纤维网孔和带槽孔的钼片空隙，并
与钨片7接触，待凝固后，即制备出具有钨纤维网增强铜基复合层的钨铜片构件。

[0038] 实施例二：

[0039] 该钨铜片构件制备装置厚度为21mm，长度和宽度都为90mm，首先在坩埚容器2中，放入不锈钢工装下部6(厚度为10mm，上表面开有三个长度45mm、宽度12mm、深度2mm的凹槽，
并在矩形工装四个顶角处，对称开距离工装侧边8.5mm的M8贯穿螺纹孔8)，将三块钨片7(厚
度2mm、长度45mm、宽度12mm)放入凹槽。再将交替叠加共计1mm的带槽孔的高熔点金属薄片
10和钨纤维网9放在不锈钢工装下部6上部，其中单层钨纤维网9采用相同直径为0.1mm的钨
纤维，通过斜纹方式编织，钨纤维网9厚度为0.2mm、长度和宽度都为90mm，孔径为0.2mm(如
图2)；高强度金属薄片10为厚度0.2mm的不锈钢薄片，开有三个长度45mm、宽度12mm的矩形
贯穿孔；即1mm的铜复合材料中间层为三层带槽孔的不锈钢薄片10和两层钨纤维网9交替叠
加而成。之后将不锈钢工装上部5(厚度为10mm、开有三个长度45mm、宽度12mm的矩形贯穿
孔，并在矩形工装四个顶角处，对称开与螺纹孔8相同轴心的直径9mm的圆形贯穿光滑孔3)
放在交替叠加的带槽孔的高熔点金属薄片10和钨纤维网9上，将三块无氧铜4(厚度为10mm、
长度45mm、宽度12mm)放入不锈钢工装上部5中的三个贯穿孔中，此后再将M8螺钉插入光滑
孔3和螺纹孔8，以固定压实钨纤维网9和带槽孔的高熔点金属薄片10；将坩埚盖1放在坩埚
容器2上部盖实，放入加热炉中，利用液相渗铜法，无氧铜4在1200℃的氢气气氛中加热0.5
小时，并在真空中保温0.5小时，熔化，并在重力作用下渗透穿过钨纤维网，填补钨纤维网孔
和带槽孔的不锈钢薄片的空隙，并与钨片7接触，待凝固后，即制备出具有钨纤维网增强铜
基复合层的钨铜片构件。

[0040] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技
术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些
变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。