Doktorska disertacija
Priprava kompozitnega materiala na osnovi SiC za uporabo v fuzijskem reaktorju
Ogledi: 5 | Prenosi: 7
Povzetek
Fuzija, tehnologija pridobivanja energije z zlivanjem (fuzijo) lahkih jeder, predstavlja varen, ekonomičen in okolju prijazen energetski vir za prihodnost. Napredni koncepti bodočih fuzijskih elektrarn predvidevajo uporabo z vlakni utrjenega kompozita na osnovi silicijevega karbida (SiCf/SiC) v strukturnih delih prve stene reaktorja. Uporaba materialov na osnovi SiC bi namreč omogočila višje delovne temperature in s tem večji izkoristek elektrarne. Kompoziti, pripravljeni po znanih postopkih, ne dosegajo vseh zahtevanih lastnosti, zato je za uporabo teh materialov v bodočih fuzijskih elektrarnah nujen nadaljnji razvoj. Glavno oviro predstavlja težavno zgoščevanje matrice iz keramike na osnovi SiC v prazninah tridimenzionalne tkanine iz SiC vlaken. Zgoščevanje je potrebno doseči z uporabo le nizko aktivacijskih elementov in pri temperaturah pod 1800 °C, pri katerih vlakna obdržijo svoje začetne lastnosti. Predstavljeno delo je bilo izvedeno v okviru evropskega fuzijskega programa (7. OP, EURATOM – Fuzija) in je bilo vodeno in preverjano s strani združenja EFDA (European Fusion Development Agreement).
Kot nov način priprave kompozita SiCf/SiC z izboljšanimi lastnostmi smo v tem delu predlagali kombiniran proces, ki vključuje infiltracijo tkanine s pomočjo elektroforetskega nanašanja (EFN) in zgoščevanje matrice z infiltriranjem in pirolizo polimera (PIP). Učinkovitost predlaganega procesa smo najprej preverili pri zgoščevanju matrice brez vlaken. Na osnovi študija elektrokinetičnih lastnosti suspenzije SiC prahu in izbire primernih pogojev elekroforetskega nanašanja smo pripravili surovce z visoko gostoto pakiranja delcev (~60 % teoretične gostote). Podrobneje smo preučili tudi proces pretvorbe tekočega polimera v keramiko. Po zgoščevanju nanosa iz SiC in šestkrat ponovljeno infiltracijo in pirolizo polimera smo uspeli pripraviti keramično matrico s 87 % gostoto in enakomerno poroznostjo z velikostjo por pod 1 μm. Material izkazuje relativno visoko termično prevodnost 60 Wm-1K-1, upogibno trdnost 337±75 MPa, trdoto 1740 HV in elastični modul 260 GPa.
Na osnovi dognanj raziskave elektroforetskega nanašanja SiC matrice brez vlaken smo EFN v nadaljevanju uporabili za infiltracijo debele prevodne tkanine iz SiC vlaken, prevlečenih s tankim slojem pirolitskega grafita. Z ločitvijo vlaken od depozicijske elektrode smo zagotovili penetracijo električnega polja skozi tkanino in s tem primerno gonilno silo za gibanje delcev. Zaradi enakega predznaka naboja delcev in vlaken in posledično elektrostatskega odboja med njimi so delci lahko prešli skozi celotno debelino tkanine in postopoma zapolnili praznine znotraj tkanine. Najboljše rezultate smo dosegli s suspenzijo s 50 ut. % vsebnostjo prahu in pri gostoti toka 2.5 mAcm-2. S šestkratnim infiltriranjem in pirolizo polimera smo uspeli pripraviti SiCf/SiC kompozit, sestavljen izključno iz kristaliničnega SiC in z ugodnejšo velikostjo in porazdelitvijo por v primerjavi s kompoziti pripravljenimi s postopkom CVI ali PIP. Kompozit ima sicer zaradi neustreznih lastnosti prevleke na vlaknih neustrezne mehanske lastnosti, vendar pa se odlikuje po visoki termični prevodnosti in sicer 60 Wm-1K-1 pri sobnih pogojih in 30 Wm-1K-1 pri 1000 °C, kar je ena izmed najvišjih vrednosti izmerjenih za podoben material.