劉春佳，劉 翔，練友運(yùn)，宋久鵬，趙 偉

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

國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)是目前全球規(guī)模最大、影響最深遠(yuǎn)的國際科研合作項(xiàng)目之一，其目的是建造一個(gè)大規(guī)模的核聚變反應(yīng)的“托卡馬克”，俗稱“人造太陽”。為了實(shí)時(shí)監(jiān)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(cè)面安裝朗繆爾探針。該探針將承受10～20 MW/m2的高熱負(fù)荷，運(yùn)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(rèn)為是理想的絕緣材料，具有熔點(diǎn)高、介電常數(shù)小、體積電阻大、耐熱沖擊強(qiáng)度大等優(yōu)點(diǎn)[3]；但是由于陶瓷本身硬度高、脆性大，且機(jī)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(dǎo)熱性能，并且能與其他鎢材料進(jìn)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(dāng)前需要首先解決的問題。

粉末注射成形技術(shù)(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(shù)引入到粉末冶金領(lǐng)域而形成的一種全新的零部件加工技術(shù)。近年來，在汽車零部件，計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子產(chǎn)品，醫(yī)療器械，國防軍工等領(lǐng)域，人們已經(jīng)開展了廣泛的研究和應(yīng)用[4]。目前，國內(nèi)外關(guān)于PIM應(yīng)用于核聚變裝置的研究主要集中在金屬材料領(lǐng)域，如難熔金屬鎢材料的制備[5-6]，應(yīng)用于氧化鋁陶瓷材料制備的文獻(xiàn)報(bào)道較少，因此，將PIM技術(shù)引入到ITER偏濾器朗繆爾探針用陶瓷的生產(chǎn)制備工藝中，對今后聚變堆材料的推廣應(yīng)用具有非常重要的意義。

本文中以高純超細(xì)氧化鋁粉為原料，采用陶瓷注射成形工藝制備應(yīng)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(xué)和電學(xué)性能進(jìn)行分析和研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 陶瓷注射成形工藝

本實(shí)驗(yàn)所采用的原料為商業(yè)高純超細(xì)氧化鋁粉，氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%，d50(體積分?jǐn)?shù)為50%時(shí)所對應(yīng)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(xì)小且粒度分布均勻，無明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖1 高純超細(xì)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(zhì)譜儀(inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS，MC-ICP-MS型，美國ThermoFisher公司)測量雜質(zhì)元素的含量。上述測量結(jié)果如表1所示。高純超細(xì)氧化鋁粉的物理性能如表2所示。

表1 高純超細(xì)氧化鋁粉的雜質(zhì)元素含量

表2 高純超細(xì)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(jié)劑[7-9]，包括石蠟、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和硬脂酸，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為50%、30%、15%和5%。注射成形前，首先在料溫度為150 ℃，螺桿轉(zhuǎn)速為60 r/min的條件下，用轉(zhuǎn)矩流變儀確定喂料的臨界裝載量，即粉末占喂料的體積分?jǐn)?shù)，結(jié)果如圖2所示。通過實(shí)驗(yàn)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(shí)喂料有很好的流動(dòng)性，同時(shí)保證燒結(jié)坯具有穩(wěn)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(zhuǎn)矩的關(guān)系

陶瓷注射成形工藝參數(shù)對最終產(chǎn)品質(zhì)量具有非常大的影響。首先，要根據(jù)喂料的臨界裝載量，計(jì)算產(chǎn)品收縮率，進(jìn)而設(shè)計(jì)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(shí)間、模具溫度等注射成形工藝參數(shù)進(jìn)行控制[10]，否則，如果參數(shù)設(shè)置不合理，過程中就會(huì)出現(xiàn)脫模難、產(chǎn)品變形、流紋等現(xiàn)象，進(jìn)而影響產(chǎn)品尺寸、精度及質(zhì)量。本文中使用德國Arburg公司的Allrounder270s(400-70型)注射成形機(jī)，將喂料注射進(jìn)特定設(shè)計(jì)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(shù)如表3所示。陶瓷注射零件的生坯經(jīng)過溶劑脫脂和熱脫脂[11]，去除掉黏結(jié)劑，得到有一定強(qiáng)度的預(yù)燒結(jié)坯后，再經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)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(shù)

1.2 樣品的性能及表征

采用輝光放電質(zhì)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(xué)成分進(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)(TuKon 2100 B型，美國Wilson公司)測量零件的維氏硬度；采用激光導(dǎo)熱儀(LFA457型，德國Netsch公司)測量樣品的熱導(dǎo)率；采用60 kW電子束材料測試平臺(tái)(EMS-60型，核工業(yè)西南物理研究院)對探針組件進(jìn)行熱沖擊測試，并用絕緣耐壓測試儀(SE7451型，臺(tái)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(jìn)行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 純度

使用高純超細(xì)氧化鋁粉末注射成形工藝得到的氧化鋁陶瓷管的化學(xué)組分檢測結(jié)果見表4。由表可見，該氧化鋁陶瓷管中氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.99%，其中的雜質(zhì)含量遠(yuǎn)小于熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆用氧化鋁陶瓷的雜質(zhì)含量的上限要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.05%)。

表4 高純氧化鋁陶瓷管雜質(zhì)的化學(xué)成分檢測結(jié)果

2.2 物相分析

高純超細(xì)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(zhì)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(xì)高且尖銳，說明其結(jié)晶程度高。

圖4 高純超細(xì)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(jīng)燒結(jié)制得的高純氧化鋁陶瓷的燒結(jié)參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)GB/T 5593—2015《電子元器件結(jié)構(gòu)陶瓷材料》中氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(guī)則、均勻,與原始粉末相比，燒結(jié)后的α-氧化鋁晶粒棱角分明，晶粒尺寸小于8 μm，結(jié)構(gòu)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(jīng)燒結(jié)制得的高純氧化鋁陶瓷的燒結(jié)參數(shù)及物理性能

2.4 導(dǎo)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(shí)的熱導(dǎo)率，并與氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%的陶瓷(簡稱95瓷)進(jìn)行對比。由圖可以看出，溫度對2種陶瓷樣品的熱導(dǎo)率有很大的影響，熱導(dǎo)率都隨著溫度的升高而減小。在相同溫度時(shí)，99瓷樣品的熱導(dǎo)率大于95瓷的，原因是材料的熱導(dǎo)率與純度、氣孔率等因素有關(guān)。一般來說，與99瓷相比，95瓷中含有較多玻璃相等第二相，導(dǎo)致其熱導(dǎo)率較小。

95瓷、99瓷—氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為95%、99%的陶瓷。圖6 高純氧化鋁陶瓷樣品的熱導(dǎo)率

在材料的制備過程中，晶粒大小、晶界、第二相、氣孔、雜質(zhì)等會(huì)對材料性能產(chǎn)生較大的影響。在ITER設(shè)計(jì)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(jié)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(dǎo)致雜質(zhì)含量增多，相應(yīng)的物理機(jī)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(jìn)行分析，本文中采用超細(xì)氧化鋁粉制備的氧化鋁陶瓷晶粒細(xì)小而均勻，結(jié)晶程度高，且經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)后氣孔較少[13]，具有優(yōu)良的熱性能，這是ITER朗繆爾探針用陶瓷材料的關(guān)鍵指標(biāo)。

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(fù)荷試驗(yàn)對探針組件進(jìn)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(yè)西南物理研究院的EMS-60型電子束材料測試臺(tái)對探針和銅水冷靶組件進(jìn)行高熱負(fù)荷性能測試，在入射功率密度約為25 MW/m2的條件下進(jìn)行200次循環(huán)實(shí)驗(yàn)。測試過程中用電荷耦合器件(CCD)相機(jī)和高速紅外測溫儀觀察探針是否出現(xiàn)過熱。探針在第100、200次高熱負(fù)荷循環(huán)過程的紅外圖像見圖8。實(shí)驗(yàn)過程中沒有發(fā)現(xiàn)探針出現(xiàn)明顯的過熱。對探針在200次循環(huán)熱負(fù)荷實(shí)驗(yàn)過程中的表面溫度變化進(jìn)行測試，結(jié)果見圖9。由圖可以看出，在200次循環(huán)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(shí)驗(yàn)堆朗繆爾探針組件

圖9 國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆朗繆爾探針在高熱負(fù)荷試驗(yàn)過程中表面溫度變化

2.6 電性能測試

在測試溫度為500 ℃時(shí)，分別對ITER朗繆爾探針用氧化鋁陶瓷高熱負(fù)荷前、后試件的電性能進(jìn)行測試，主要考察試件的擊穿電壓和絕緣電阻，結(jié)果如表6所示。從表中可以看出，未進(jìn)行高熱負(fù)荷測試的探針組件可以耐受400 V直流電壓，此時(shí)絕緣電阻為52.1 MΩ，并且在測試過程中電阻相對穩(wěn)定，但是，經(jīng)過高熱負(fù)荷測試后，當(dāng)直流電壓達(dá)到400 V時(shí)，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(fù)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(shí)國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆朗繆爾探針組件的電絕緣性能

3 結(jié)論

1)粉末注射成形工藝可用于以高純超細(xì)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(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到99.99%，且熱導(dǎo)率高于傳統(tǒng)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(jīng)過200次高熱負(fù)荷循環(huán)后未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，雖然電絕緣性能有所劣化，但仍能滿足使用要求。