一种提高ODS-W复合材料导热性能的方法与流程

本发明涉及一种钨基复合材料的制备方法，具体地说是一种提高ods-w复合材料导热性能的方法。

背景技术：

在聚变堆运行中，面向等离子材料要承受大量的热负荷以及高能粒子的辐射，导致材料表面产生了严重的损伤，例如熔融，裂纹等，使材料性能降低，且大幅度缩短其使用寿命，因此对于面向等离子体钨材料的导热性能要求很高。

钨具有低膨胀系数、高热导率、抗高温蠕变等优点，被认为是最有前途的面向等离子体材料。但是，钨的脆性问题也不可忽视。经过一系列的研究，发现向钨基体中添加稀土氧化物如y2o3，可获得第二相增强钨材料(ods-w)。在制备ods-w复合材料时，用湿化学法代替传统的机械合金化法不仅可以有效避免杂质的引入，还可以使晶粒尺寸分布均匀。但是，这种方法会导致晶粒尺寸较大。另外，在钨基体中添加第二相会降低材料的热导率。因此，本发明在传统湿化学法制备w-y2o3复合前驱体粉末的基础上，添加了表面活性剂三乙醇胺，一方面，显著的减小了w-y2o3复合材料晶粒尺寸，提高了其致密度；另一方面，y2o3不仅存在在晶界，而且分布在钨基体内部，进而提高了w-y2o3复合材料的导热性能。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种提高ods-w复合材料导热性能的方法。与制备w-y2o3复合前驱体粉末的传统湿化学法相比，本发明加入表面活性剂三乙醇胺，显著减小了w-y2o3复合材料的晶粒尺寸，提高其致密度，并且使y2o3较均匀的分散在钨基体中，从而提高了w-y2o3复合材料的导热性能。

本发明提高ods-w复合材料导热性能的方法，是通过在湿化学法的制备过程中添加表面活性剂三乙醇胺的方式实现的。

进一步地，所述表面活性剂的添加质量为偏钨酸铵质量的6-8％。

本发明提高ods-w复合材料导热性能的方法，包括如下步骤：

步骤1：前驱体的制备

将表面活性剂三乙醇胺((hoch2ch2)3n，aladdin，分析纯)、六水合硝酸钇(y(no3)3·6h2o，aladdin，纯度≥99.5％)和偏钨酸铵(amt，aladdin，纯度≥99.95％)分别溶解在去离子水中，然后将三乙醇胺溶液和六水合硝酸钇溶液混合后倒入偏钨酸铵溶液中，搅拌均匀后得到混合溶液；将沉淀剂草酸(c2h2o4·2h2o，分析纯)加入混合溶液中，放入油浴锅中加热至115-135℃并不断搅拌直至溶液完全蒸发，获得w-y2o3前驱体；

步骤1中，三乙醇胺、六水合硝酸钇、草酸的添加量分别为偏钨酸铵质量的6-8％、1.6％、38.8％。

步骤2：还原

将所得w-y2o3前驱体研磨后置于管式炉中，在氢气气氛下还原。还原过程中，首先于555-655℃保温50-70分钟，然后于745-845℃保温115-135分钟，获得w-y2o3复合粉末。

步骤3：块体的制备

将步骤2获得的w-y2o3复合粉末装入直径为20mm的石墨模具中，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中，使压头与模具充分接触；在烧结程序未开始时对烧结炉腔抽真空，当炉腔压力小于10pa，烧结程序启动，首先升温至790-840℃时保温5-7分钟，随后升温至1620-1670℃保温30-60秒。烧结过程中，升温速率为100℃/min，烧结程序结束后模具随炉冷却至室温，即得到w-y2o3复合材料，致密度为97-99％。

烧结过程中，790-840℃之前模具承受的压力不超过15mpa，之后压力不超过51mpa。

本发明的有益效果体现在：

与传统湿化学法相比，本发明在湿化学法制备w-y2o3复合前驱体粉末过程中加入了表面活性剂三乙醇胺，不仅减少了杂质元素对实验结果的影响，提高了后序烧结得到w-y2o3复合材料的致密度，而且y2o3不仅分布在晶界，在钨基体内也存在。因此添加三乙醇胺制备的w-y2o3复合材料的热扩散系数提高了15-17％，热导率提高了26-28％。

附图说明

图1是w-y2o3复合材料的fe-sem。从图中可以看出复合材料晶粒尺寸为1-2μm；y2o3分布在晶界，且晶粒尺寸约100nm。

图2是w-y2o3复合材料的tem(a-b)和高分辨图(c)。可以看出y2o3存在在钨基体内，晶粒尺寸约20nm。

图3(a)和(b)分别是w-y2o3复合材料热扩散系数和热导率与温度关系图。与传统湿化学法相比，添加三乙醇胺制备的w-y2o3复合材料的热扩散系数提高了17％，热导率提高了28％。

具体实施方式

实施例1：

本实施例中提高ods-w复合材料导热性能的方法，包括如下步骤：

步骤1：前驱体的制备

将表面活性剂三乙醇胺((hoch2ch2)3n，aladdin，分析纯)、六水合硝酸钇(y(no3)3·6h2o,aladdin,纯度≥99.5％)和偏钨酸铵(amt，aladdin，纯度≥99.95％)分别溶解在去离子水中得到一定量溶液，然后将三乙醇胺和六水合硝酸钇的溶液混合后倒入偏钨酸铵溶液中，搅拌均匀得到混合溶液；将沉淀剂草酸(c2h2o4·2h2o，分析纯)加入混合溶液中，放入油浴锅中加热至115℃并不断搅拌直至溶液完全蒸发，获得w-y2o3前驱体。

步骤2：还原

将所得w-y2o3前驱体研磨后置于管式炉中，在氢气气氛下还原。还原过程中，555℃保温70分钟，745℃保温115分钟，获得w-y2o3复合粉体。

三乙醇胺、六水合硝酸钇和草酸的添加量分别为偏钨酸铵质量的6％，1.6％,38.8％。

步骤3：块体的制备

将还原后的w-y2o3复合粉末装入直径为20mm的石墨模具中，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中，使压头与模具充分接触。在烧结程序未开始时对烧结炉腔抽真空，当炉腔压力小于10pa,烧结程序启动。当模具温度升至790℃时保温5分钟，升温至1620℃保温30秒。烧结过程中，升温速率为100℃/min，烧结程序结束后模具随炉冷却至室温，即得到w-y2o3复合材料，致密度为97％，热扩散系数提高了15％，热导率提高了26％。

烧结过程中，790℃之前模具承受的压力不超过15mpa，之后压力不超过51mpa。

实施例2：

本实施例中提高ods-w复合材料导热性能的方法，包括如下步骤：

步骤1：前驱体的制备

将表面活性剂三乙醇胺((hoch2ch2)3n，aladdin，分析纯)、六水合硝酸钇(y(no3)3·6h2o,aladdin,纯度≥99.5％)和偏钨酸铵(amt，aladdin，纯度≥99.95％)分别溶解在去离子水中得到一定量溶液，然后将三乙醇胺和六水合硝酸钇的溶液混合后倒入偏钨酸铵溶液中，搅拌均匀得到混合溶液；将沉淀剂草酸(c2h2o4·2h2o，分析纯)加入混合溶液中，放入油浴锅中加热至125℃并不断搅拌直至溶液完全蒸发，获得w-y2o3前驱体。

步骤2：还原

将所得w-y2o3前驱体研磨后置于管式炉中，在氢气气氛下还原。还原过程中，605℃保温60分钟，795℃保温125分钟，获得w-y2o3复合粉体。

三乙醇胺、六水合硝酸钇和草酸的添加量分别为偏钨酸铵质量的7％，1.6％,38.8％。

步骤3：块体的制备

将还原后的w-y2o3复合粉末装入直径为20mm的石墨模具中，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中，使压头与模具充分接触。在烧结程序未开始时对烧结炉腔抽真空，当炉腔压力小于10pa,烧结程序启动。当模具温度升至820℃时保温6分钟，升温至1640℃保温45秒。烧结过程中，升温速率为100℃/min，烧结程序结束后模具随炉冷却至室温，即得到w-y2o3复合材料，致密度为98％，热扩散系数提高了16％，热导率提高了27％。

烧结过程中，820℃之前模具承受的压力不超过15mpa，之后压力不超过51mpa。

实施例3：

本实施例中提高ods-w复合材料导热性能的方法，包括如下步骤：

步骤1：前驱体的制备

将表面活性剂三乙醇胺((hoch2ch2)3n，aladdin，分析纯)、六水合硝酸钇(y(no3)3·6h2o,aladdin,纯度≥99.5％)和偏钨酸铵(amt，aladdin，纯度≥99.95％)分别溶解在去离子水中得到一定量溶液，然后将三乙醇胺和六水合硝酸钇的溶液混合后倒入偏钨酸铵溶液中，搅拌均匀得到混合溶液；将沉淀剂草酸(c2h2o4·2h2o，分析纯)加入混合溶液中，放入油浴锅中加热至135℃并不断搅拌直至溶液完全蒸发，获得w-y2o3前驱体。

步骤2：还原

将所得w-y2o3前驱体研磨后置于管式炉中，在氢气气氛下还原。还原过程中，655℃保温50分钟，845℃保温135分钟，获得w-y2o3复合粉体。

三乙醇胺、六水合硝酸钇和草酸的添加量分别为偏钨酸铵质量的8％，1.6％,38.8％。

步骤3：块体的制备

将还原后的w-y2o3复合粉末装入直径为20mm的石墨模具中，再将石墨模具放入放电等离子烧结炉中，使压头与模具充分接触。在烧结程序未开始时对烧结炉腔抽真空，当炉腔压力小于10pa,烧结程序启动。当模具温度升至840℃时保温7分钟，升温至1670℃保温60秒。烧结过程中，升温速率为100℃/min，烧结程序结束后模具随炉冷却至室温，即得到w-y2o3复合材料，致密度为99％，热扩散系数提高了17％，热导率提高了28％。

烧结过程中，840℃之前模具承受的压力不超过15mpa，之后压力不超过51mpa。