本书内容基于作者及其团队长期开展核聚变用钨基材料研究所取得的成果，系统讨论作为第一壁和偏滤器候选材料的钨基材料，从粉体制备、烧结成形到组织结构控制和性能优化。随着聚变能源研发加速推进、工程化需求日益迫切，有必要对钨基材料开展深入的基础研究，助力新型钨基材料研发与部件制造，为加快聚变堆工程化乃至商业化进程做出贡献。
作者从材料学角度归纳了钨的基本知识、原理和应用，介绍了钨的发现与提取、应用发展，论述钨的晶体结构与物理、化学与力学性质，指出钨的局限性如再结晶脆性、辐照损伤，提出增韧方法与路径；系统介绍钨材料的制备方法，由粉体及烧结成形，确定影响烧结致密化的因素；围绕核聚变应用环境，论述钨的高温氧化过程及机制，以及应对冷却失水事故的抗氧化措施；从钨的塑性变形与加工角度，阐明钨晶体缺陷如位错结构的变化机制，提供钨基材料降脆增韧的工艺方法（层状增韧、弥散增韧和纤维增韧）；考虑钨具有良好的导热性和高温强度，结合聚变装置中的高温和辐照环境，讨论钨基材料承受稳态热负荷、瞬态热冲击以及辐照损伤的能力；最后较为全面地总结钨在各个领域的应用特点与发展趋势。
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前言
绪论 1
第1章 钨的发现与发展 3
1.1 钨的发现 3
1.2 钨资源的提取 4
1.2.1 中国钨矿的开发 4
1.2.2 钨矿中提取钨资源的方式 5
1.3 钨的应用领域 7
1.3.1 电子与电力领域 7
1.3.2 航空航天领域 9
1.3.3 医疗领域 10
1.3.4 核能领域 11
1.3.5 光伏领域 13
1.3.6 化工领域 13
1.3.7 军事领域 14
1.3.8 工业领域 14
参考文献 16
第2章 钨材料学基础 22
2.1 钨的原子结构 22
2.2 钨的晶体结构 22
2.2.1 钨的晶体结构特征 22
2.2.2 钨的晶体缺陷 24
2.2.3 钨的变形与断裂 24
2.2.4 钨的表面特性 25
2.3 钨的物理性质 25
2.3.1 钨的热学性质 26
2.3.2 钨的电磁性质 32
2.3.3 钨的辐照特性 32
2.4 钨的化学性质 32
2.4.1 钨与非金属元素的反应 36
2.4.2 钨与金属元素的反应 37
2.4.3 钨与化合物的反应 39
2.5 钨的力学性质 44
2.5.1 弹性 44
2.5.2 硬度 44
2.5.3 塑性 46
2.5.4 强度 51
2.5.5 蠕变 53
参考文献 55
第3章 钨的局限性特征 60
3.1 钨的脆性问题 60
3.1.1 本征脆性 60
3.1.2 再结晶脆性 61
3.1.3 辐照脆性 62
3.2 钨的增韧策略 63
3.2.1 合金化 63
3.2.2 第二相弥散强化 64
3.2.3 加工变形 66
3.2.4 纤维增韧 67
3.3 钨的高温氧化行为 69
3.3.1 氧化皮的形成机制与生长动力学 71
3.3.2 氧化皮的稳定性与破裂机理 73
3.4 钨材料的抗氧化保护技术 74
3.4.1 表面涂覆技术 74
3.4.2 添加合金元素 75
3.4.3 外加电场保护 77
参考文献 77
第4章 钨材料的制备与方法 83
4.1 制备方法 83
4.1.1 粉末冶金 83
4.1.2 激光熔炼 83
4.1.3 电子束区域熔炼 84
4.1.4 磁控溅射 84
4.1.5 3D打印 85
4.2 钨材料粉体制备 87
4.2.1 纯钨金属粉末制备概述 87
4.2.2 制备装备 92
4.2.3 超细/纳米钨合金复合粉末制备概述 96
4.3 超细/纳米钨合金复合粉末制备技术 97
4.3.1 机械合金化 97
4.3.2 喷雾干燥法 99
4.3.3 溶胶-凝胶法 101
4.3.4 冷冻干燥法 103
4.3.5 化学气相沉积法 104
4.3.6 化学镀 104
4.3.7 反应喷射工艺 106
4.3.8 真空等离子体喷射沉积 106
4.3.9 机械-热化学工艺合成 106
4.3.10 机械-化学合成法 107
4.3.11 溶胶-喷雾干燥-二步氢还原法 108
4.3.12 超细/纳米粉末存在的突出问题 108
4.4 机械合金化制备纳米钨合金复合粉末 108
4.4.1 MA工艺流程 109
4.4.2 无过程控制剂下球磨W-Ni-Fe粉末的特性 109
4.4.3 过程控制剂对MA过程和粉末性能的影响 114
4.4.4 MA工艺参数的优化 124
4.5 压制成型 135
4.6 烧结 139
4.6.1 粉末体的烧结致密化行为 141
4.6.2 致密化机理 144
4.6.3 烧结方式 147
4.6.4 压力辅助烧结 148
参考文献 164
第5章 钨材料的高温氧化与防护 172
5.1 核能系统中钨的冷却失效与防护机制 172
5.1.1 冷却失效与真空室破裂 172
5.1.2 自钝化钨合金的概念提出 173
5.1.3 自钝化钨合金的研究与应用 174
5.2 SPTAs的高温抗氧化性能与组织稳定性 177
5.2.1 SPTAs的调幅分解行为 178
5.2.2 SPTAs的高温抗氧化性能 182
5.2.3 SPTAs的组织稳定性 185
5.2.4 分解组织对初始氧化皮形成的影响 187
5.3 SPTAs的几何结构氧化效应 189
5.3.1 立方体样品氧化行为 190
5.3.2 圆柱体样品氧化行为 192
5.3.3 氧化皮的截面组织 194
5.3.4 棱边氧化行为 195
5.3.5 氧化动力学 199
参考文献 201
第6章 钨材料的力学特性 205
6.1 钨的力学性质特点 205
6.2 钨的合金化 206
6.3 钨材料的变形与加工 206
6.3.1 钨金属的塑性变形特征 207
6.3.2 变形加工对钨材料力学性能的影响 210
6.4 钨层状结构的力学行为 213
6.4.1 W/Ti层状复合材料 214
6.4.2 W/Ta层状复合材料 221
6.4.3 W/Ti/Ta层状复合材料 231
6.5 弥散强化钨基复合材料 238
6.5.1 氧化物增强钨基复合材料 239
6.5.2 碳化物弥散强化钨基材料 242
6.6 纤维增强钨基复合材料 244
6.6.1 钨纤维增韧钨基复合材料的增韧机理及类型 244
6.6.2 钨纤维增韧钨基复合材料的制备方法 246
参考文献 248
第7章 钨材料的热学性质与辐照损伤 255
7.1 能源与核聚变 255
7.1.1 核聚变原理 255
7.1.2 核聚变条件 256
7.1.3 托卡马克装置与工作原理 258
7.1.4 ITER建设工程 260
7.2 聚变工况与挑战 261
7.2.1 工作环境与作用 261
7.2.2 第一壁材料 262
7.2.3 面向等离子体材料的选择 263
7.3 钨基材料在核聚变装置中的挑战 270
7.3.1 中子辐照 270
7.3.2 氦离子辐照 271
7.3.3 高能热负荷 274
7.4 热负荷行为（稳态、瞬态） 276
7.4.1 W抗热冲击性能 277
7.4.2 热冲击作用下的脆性损伤 279
7.4.3 熔化及熔体损伤行为 287
7.5 辐照损伤 293
7.5.1 辐照损伤的基本模型 293
7.5.2 钨材料中的辐照损伤机制 294
7.5.3 影响钨材料中辐照缺陷产生的因素 296
7.5.4 合金元素对辐照缺陷的影响 297
7.5.5 第二相对辐照缺陷的影响 299
7.5.6 表面与界面对辐照缺陷的影响 299
7.5.7 H/He对辐照缺陷的影响 306
7.5.8 辐照缺陷的回复 307
7.5.9 辐照下力学性能的劣化 308
参考文献 315
第8章 钨材料的应用与发展 315
8.1 电子材料 315
8.2 电极材料 316
8.2.1 钍钨电极 319
8.2.2 铈钨电极 321
8.2.3 镧钨电极 322
8.2.4 锆钨电极 324
8.2.5 钇钨电极 324
8.2.6 复合稀土钨电极 325
8.2.7 钨电极材料制备方法 329
8.2.8 钨电极材料的应用 329
8.3 基底材料 330
8.4 发射源 331
8.4.1 热电子发射现象 332
8.4.2 钨热电子发射材料的发展 333
8.4.3 钨热阴极材料 334
8.4.4 钨热电子发射材料研究的新进展 341
8.5 钨辐射屏蔽件 344
8.5.1 钨合金屏蔽件的优势 347
8.5.2 钨辐射屏蔽件的具体应用 348
8.6 耐热材料 351
8.6.1 高温炉具 352
8.6.2 电子枪阴极 353
8.6.3 电子束焊接 356
8.6.4 电子束熔凝 362
8.7 钨铼合金 364
8.7.1 钨铼合金的应用 365
8.7.2 钨铼合金的制备方法 366
8.7.3 W-Re合金的性能及强化方法 368
8.8 钨靶材 370
8.8.1 钨靶材的应用 371
8.8.2 钨靶材的制备 374
8.9 封装材料 379
8.9.1 电子封装结构组成 379
8.9.2 电子封装材料要求 379
8.9.3 钨铜封装材料 382
8.9.4 钨铁封装材料 391
8.9.5 钨电子封装材料 396
8.10 钨高比重材料 399
8.10.1 W-Ni-Cu合金系 400
8.10.2 W-Ni-Fe合金系 402
8.10.3 钨高比重材料的应用 406
8.11 超硬材料 410
8.11.1 硬质合金 410
8.11.2 硬质合金的发展历史 411
8.11.3 硬质合金的发展趋势 414
8.11.4 硬质合金的分类 416
8.11.5 硬质合金的应用 419
8.12 荧光材料 424
8.12.1 硫化物 425
8.12.2 铝酸盐 426
8.12.3 钼酸盐 427
8.12.4 钨酸盐 427
8.13 超润滑材料 431
8.13.1 WS？基本性质 432
8.13.2 WS？的用途及研究现状 432
参考文献 435
京公网安备 11010102004214号