Li基氚增殖陶瓷材料的结构设计和热机械性能研究

Li-based ceramic pebbles are recognized a candidate of ceramic tritium breeder materials in fusion reactors, and the development of new li-based ceramics has important significance on the design of blanket and the exploitation of fusion energy. In this project, we break the bottleneck of single phase Li-based ceramics, and adopt a new route to design the scheme by oxide addition and composite. The techniques of preparation, theoretics bases and the characters of Li-based ceramics under conditions simulated the circumstance in fusion reactor will be investigated. The approach for controlling grain size cooperated with porosity and it's effects on mechanical properties will be demonstrated. The adjusting mechanism of crystal structure, microstructure and it's effect on thermomechanical properties will studied by oxide addition and composite. The characters of creep phenomenon, thermal shock resistance and thermal expansion associated with the compatibility between Li-based ceramics and structure materials will be find out. Finally, The relationship between crystal structure, microstructure and properties of materials will be established, and the controlling approach of structure and properties for practical Li-based ceramics will be presented.

锂基陶瓷已经成为固态氚增殖剂的重要候选材料，开展新型锂基陶瓷材料的研究对聚变堆包层设计以及聚变能的开发具有重要意义。项目拟突破传统单相锂基陶瓷的框架，采用氧化物掺杂改性和复合陶瓷材料结构设计的思路，利用新型石墨包覆法和胶态湿法成型技术研究新型Li基陶瓷增殖材料的制备工艺，理论基础以及模拟服役条件下材料的热物理和热机械等性能。探索新型锂基陶瓷晶粒尺寸与孔隙率协同控制的途径及其对材料力学性能的影响，查明氧化物掺杂及复合对陶瓷材料晶体结构、显微结构以及热机械性能的影响和调控机理，获得锂基陶瓷材料的高温蠕变、抗热震性和热膨胀特征以及与结构材料的化学相容性。建立材料晶体结构-显微结构-材料热力学、热机械性能的关联性，寻求固态氚增殖陶瓷材料的性能调控机制和有效途径，探索实用化固态氚增殖陶瓷材料。

随着ITER计划的实施，先进固态锂基氚增殖陶瓷材料的研发也已经成为世界各国竞争的目标。本项目利用新型石墨包覆法等成型技术研究了新型锂基陶瓷增殖材料的制备工艺，结构调控以及材料的热物理和热机械等性能。（1）陶瓷微球晶粒生长机理显示Li4SiO4微球晶粒生长由体扩散控制，Li2TiO3微球晶粒生长由气相传质控制，Li2TiO3微球强度随着晶粒尺寸减小而增加，可表达为：ln σ=4.33-0.12ln G。（2）研究了氧化物掺杂对Li4SiO4微球性能的影响。Y2O3和Nb2O5掺杂时，Nb2O5会与原料中的Li2CO3反应生成Li3NbO4，并且聚集在晶界的Li3NbO4和Y2O3都能抑制Li4SiO4微球晶粒生长，提升微球的抗压强度。Nb2O5的抑制效果优于Y2O3。Al2O3掺杂时，仅采用Li5AlO4和Li4SiO4为原料才能够获得Li4+xAlxSi1−xO4固溶体微球。掺杂可明显提升Li4SiO4微球锂含量，改善微球的密度和抗压强度。（3）在1100℃成功制备了核壳结构(1−y)Li4SiO4–yLi2TiO3微球（壳部为Li2TiO3，核部为Li2TiO3与Li4SiO4）。当y=50%时，Li2TiO3显著抑制了微球晶粒的生长，提高了抗压强度，达到了104.79 N。采用Sol-Gel法可以获得富锂的Li4SiO4-Li2O两相包覆粉体（Li2O包裹着Li4SiO4）。（4）Li2TiO3和Li4SiO4微球与ODS钢的化学相容性显示两种微球中的Li和O原子均会通过扩散和挥发移动至ODS钢表面，并与ODS钢中的Fe元素和Cr元素反应生成腐蚀层，微球的抗压碎强度会随着服役温度的升高而下降, 两种微球与SiC之间不存在界面反应。（5）在500℃保温300小时，Li2TiO3和Li4SiO4微球均观察到蠕变变形行为，Li4SiO4微球变形量高于Li4SiO4微球，600℃热震10次后，Li2TiO3、Li4SiO4和复合微球的抗压强度均呈现下降趋势，在400-600℃温区，Li4SiO4具有较低的热膨胀系数，而高于600℃，则50%Li4SiO4- 50% Li2TiO3和Li2TiO3具有更小的热膨胀系数。本项目获得的氚增殖剂材料性能数据可以为我国聚变实验包层模块的设计提供重要的实验基础。