國際熱核聚變實驗堆朗繆爾探針用高純氧化鋁陶瓷的制備

劉春佳，劉 翔，練友運，宋久鵬，趙 偉

(1. 核工業西南物理研究院 聚變科學研究所，四川 成都 610041；2. 國家鎢材料工程技術研究中心 難熔金屬研究所，福建 廈門 361009)

國際熱核聚變實驗堆(ITER)是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，其目的是建造一個大規模的核聚變反應的“托卡馬克”，俗稱“人造太陽”。為了實時監控和診斷核聚變裝置中等離子體的電子溫度、密度和粒子流通量，在偏濾器靶板側面安裝朗繆爾探針。該探針將承受10～20 MW/m2的高熱負荷，運行條件極為惡劣[1]。

朗繆爾探針部件主要有中間的鎢探針體、外部錐形柱狀鎢熱屏以及它們之間的絕緣材料[2]。聚變裝置中常用的絕緣材料有氧化鈹、氧化鎂、氧化釔和氧化鋁等。與其他幾種陶瓷相比，氧化鋁陶瓷被認為是理想的絕緣材料，具有熔點高、介電常數小、體積電阻大、耐熱沖擊強度大等優點[3]；但是由于陶瓷本身硬度高、脆性大，且機加工中容易在表面形成微裂紋，用于朗繆爾探針的陶瓷為管狀，壁厚在0.3～0.5 mm之間，要求在服役條件下具備一定的電絕緣性能和導熱性能，并且能與其他鎢材料進行較好的連接，因此，滿足該探針用氧化鋁陶瓷材料的制備是當前需要首先解決的問題。

粉末注射成形技術(PIM)是一種新興的材料和部件凈成形工藝，按照不同的粉末類型來劃分，包括金屬粉末注射成形(MIM)和陶瓷粉末注射成形(CIM)，是將塑料注射成形技術引入到粉末冶金領域而形成的一種全新的零部件加工技術。近年來，在汽車零部件，計算機、通信、消費電子產品，醫療器械，國防軍工等領域，人們已經開展了廣泛的研究和應用[4]。目前，國內外關于PIM應用于核聚變裝置的研究主要集中在金屬材料領域，如難熔金屬鎢材料的制備[5-6]，應用于氧化鋁陶瓷材料制備的文獻報道較少，因此，將PIM技術引入到ITER偏濾器朗繆爾探針用陶瓷的生產制備工藝中，對今后聚變堆材料的推廣應用具有非常重要的意義。

本文中以高純超細氧化鋁粉為原料，采用陶瓷注射成形工藝制備應用于ITER偏濾器朗繆爾探針的陶瓷絕緣材料，并對其物相組成、微觀組織、熱學和電學性能進行分析和研究。

1 實驗

1.1 陶瓷注射成形工藝

本實驗所采用的原料為商業高純超細氧化鋁粉，氧化鋁的質量分數為99.99%，d50(體積分數為50%時所對應的粒徑)為0.323 μm，顆粒形貌如圖1所示。由圖可以看到，氧化鋁顆粒粒徑大多在200～600 nm，形貌呈扁平片狀，顆粒細小且粒度分布均勻，無明顯的團聚現象。

圖1 高純超細氧化鋁粉的掃描電子顯微鏡圖像

采用氧氮分析儀(RO-300/TN-300型，美國LECO公司)測量高純氧化鋁粉中氮的含量，采用碳硫分析儀(CS-200型，美國LECO公司)測量碳的含量，采用電感耦合等離子體質譜儀(inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS，MC-ICP-MS型，美國ThermoFisher公司)測量雜質元素的含量。上述測量結果如表1所示。高純超細氧化鋁粉的物理性能如表2所示。

表1 高純超細氧化鋁粉的雜質元素含量

表2 高純超細氧化鋁粉的物理性能

陶瓷注射成形用喂料的制備采用石蠟-高分子體系的黏結劑[7-9]，包括石蠟、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和硬脂酸，質量分數分別為50%、30%、15%和5%。注射成形前，首先在料溫度為150 ℃，螺桿轉速為60 r/min的條件下，用轉矩流變儀確定喂料的臨界裝載量，即粉末占喂料的體積分數，結果如圖2所示。通過實驗確定該氧化鋁粉末的臨界裝載量為49%～51%。為了保證注射成形時喂料有很好的流動性，同時保證燒結坯具有穩定的收縮率，本文中采用臨界裝載量為50%的氧化鋁陶瓷喂料用于注射成形工藝。

圖2 氧化鋁喂料裝載量與轉矩的關系

陶瓷注射成形工藝參數對最終產品質量具有非常大的影響。首先，要根據喂料的臨界裝載量，計算產品收縮率，進而設計并得到合適的注射成形模具；其次，對注射溫度、注射速度、注射壓力、保壓時間、模具溫度等注射成形工藝參數進行控制[10]，否則，如果參數設置不合理，過程中就會出現脫模難、產品變形、流紋等現象，進而影響產品尺寸、精度及質量。本文中使用德國Arburg公司的Allrounder270s(400-70型)注射成形機，將喂料注射進特定設計的模具中，冷卻后得到符合外觀及尺寸要求的氧化鋁生坯(圖3)。采用的注射成形工藝參數如表3所示。陶瓷注射零件的生坯經過溶劑脫脂和熱脫脂[11]，去除掉黏結劑，得到有一定強度的預燒結坯后，再經過高溫燒結使其致密化[12]，最終制備得到了用于ITER朗繆爾探針的氧化鋁陶瓷管，見圖3。

表3 氧化鋁陶瓷生坯注射成形工藝參數

1.2 樣品的性能及表征

采用輝光放電質譜儀(glow discharge mass spectrometer，GDMS,Element GD型,美國Thermo Scientific公司)對氧化鋁陶瓷的化學成分進行檢測；采用X'Pert Pro型X射線衍射儀(荷蘭飛利浦公司)對樣品的相組成及晶體結構進行分析表征；采用掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM，S3400N型，日本Hitachi公司)觀察氧化鋁陶瓷斷口的顯微形貌；利用阿基米德排水法，使用密度天平(XS105DU型，瑞士梅特勒托利多公司)測量氧化鋁零件的密度；利用硬度計(TuKon 2100 B型，美國Wilson公司)測量零件的維氏硬度；采用激光導熱儀(LFA457型，德國Netsch公司)測量樣品的熱導率；采用60 kW電子束材料測試平臺(EMS-60型，核工業西南物理研究院)對探針組件進行熱沖擊測試，并用絕緣耐壓測試儀(SE7451型，臺灣華儀電子股份有限公司)對熱沖擊前后樣件的電絕緣性能進行測試。

2 結果與分析

2.1 純度

使用高純超細氧化鋁粉末注射成形工藝得到的氧化鋁陶瓷管的化學組分檢測結果見表4。由表可見，該氧化鋁陶瓷管中氧化鋁的質量分數達到99.99%，其中的雜質含量遠小于熱核聚變實驗堆用氧化鋁陶瓷的雜質含量的上限要求(質量分數小于0.05%)。

表4 高純氧化鋁陶瓷管雜質的化學成分檢測結果

2.2 物相分析

高純超細氧化鋁粉和注射成形制得的高純氧化鋁陶瓷的X射線衍射譜圖見圖4。由圖可以看出，兩者都沒有明顯的雜質峰，主晶相均為單一的α-氧化鋁，且陶瓷樣品中的α-氧化鋁特征峰細高且尖銳，說明其結晶程度高。

圖4 高純超細氧化鋁粉和注射成形制得的高純氧化鋁陶瓷的X射線衍射譜圖

2.3 物理性能和微觀組織

經燒結制得的高純氧化鋁陶瓷的燒結參數及物理性能如表5所示。從表中可以看到，該氧化鋁陶瓷的密度大于國家標準GB/T 5593—2015《電子元器件結構陶瓷材料》中氧化鋁質量分數為99%的陶瓷(簡稱99瓷)的要求(密度不小于3.85 g/cm3)。從零件斷口的SEM 圖像(圖5)可以看到，晶粒較為規則、均勻,與原始粉末相比，燒結后的α-氧化鋁晶粒棱角分明，晶粒尺寸小于8 μm，結構較為致密，幾乎沒有玻璃相，晶粒間氣孔較少，斷裂方式主要為沿晶斷裂。

表5 經燒結制得的高純氧化鋁陶瓷的燒結參數及物理性能

2.4 導熱性能

圖6所示為高純氧化鋁陶瓷樣品在室溫加熱到1 000 ℃時的熱導率，并與氧化鋁質量分數為95%的陶瓷(簡稱95瓷)進行對比。由圖可以看出，溫度對2種陶瓷樣品的熱導率有很大的影響，熱導率都隨著溫度的升高而減小。在相同溫度時，99瓷樣品的熱導率大于95瓷的，原因是材料的熱導率與純度、氣孔率等因素有關。一般來說，與99瓷相比，95瓷中含有較多玻璃相等第二相，導致其熱導率較小。

95瓷、99瓷—氧化鋁質量分數分別為95%、99%的陶瓷。圖6 高純氧化鋁陶瓷樣品的熱導率

在材料的制備過程中，晶粒大小、晶界、第二相、氣孔、雜質等會對材料性能產生較大的影響。在ITER設計中，盡管95瓷也可作為一種備選材料，但其在制備過程中為了降低燒結溫度，抑制晶粒長大，加入了少量的高嶺土、方解石、滑石等，引入CaO、MgO、SiO2等，導致雜質含量增多，相應的物理機械性能也較99瓷的差。另外，從氧化鋁原料的純度和粒度方面進行分析，本文中采用超細氧化鋁粉制備的氧化鋁陶瓷晶粒細小而均勻，結晶程度高，且經過高溫燒結后氣孔較少[13]，具有優良的熱性能，這是ITER朗繆爾探針用陶瓷材料的關鍵指標。

2.5 抗熱沖擊性能

為了考察ITER朗繆爾探針用陶瓷材料在高能粒子沖擊下的可靠性，通常采用高熱負荷試驗對探針組件進行測試，探針組件如圖7所示。探針和水冷銅靶組件通常采用高溫真空釬焊工藝來制備。利用核工業西南物理研究院的EMS-60型電子束材料測試臺對探針和銅水冷靶組件進行高熱負荷性能測試，在入射功率密度約為25 MW/m2的條件下進行200次循環實驗。測試過程中用電荷耦合器件(CCD)相機和高速紅外測溫儀觀察探針是否出現過熱。探針在第100、200次高熱負荷循環過程的紅外圖像見圖8。實驗過程中沒有發現探針出現明顯的過熱。對探針在200次循環熱負荷實驗過程中的表面溫度變化進行測試，結果見圖9。由圖可以看出，在200次循環過程中探針的表面溫度基本保持恒定，峰值溫度接近1 200 ℃。

圖7 國際熱核聚變實驗堆朗繆爾探針組件

圖9 國際熱核聚變實驗堆朗繆爾探針在高熱負荷試驗過程中表面溫度變化

2.6 電性能測試

在測試溫度為500 ℃時，分別對ITER朗繆爾探針用氧化鋁陶瓷高熱負荷前、后試件的電性能進行測試，主要考察試件的擊穿電壓和絕緣電阻，結果如表6所示。從表中可以看出，未進行高熱負荷測試的探針組件可以耐受400 V直流電壓，此時絕緣電阻為52.1 MΩ，并且在測試過程中電阻相對穩定，但是，經過高熱負荷測試后，當直流電壓達到400 V時，試件的電阻瞬間小于0.1 MΩ，說明試件被擊穿。通過對比可以看到，高熱負荷對探針試件具有一定的破壞作用，使得陶瓷材料耐電擊穿性能有所劣化。

表6 測試溫度為500 ℃時國際熱核聚變實驗堆朗繆爾探針組件的電絕緣性能

3 結論

1)粉末注射成形工藝可用于以高純超細氧化鋁粉為原料制備ITER朗繆爾探針用高純氧化鋁陶瓷管。

2)制得的高純氧化鋁陶瓷管中氧化鋁的質量分數達到99.99%，且熱導率高于傳統95瓷的，接近理論值10 W/(m·K)。

3)采用高純氧化鋁陶瓷制備的ITER朗繆爾探針組件抗熱沖擊好，在入射功率密度為25 MW/m2的能量條件下，經過200次高熱負荷循環后未發現明顯缺陷，雖然電絕緣性能有所劣化，但仍能滿足使用要求。