新型复相Li2TiO3-Li2O固态氚增殖陶瓷材料研究

固态氚增殖材料的选择与研发对于人类开发聚变能的聚变堆包层设计具有重要的科学意义和应用价值。本项目拟突破以往氚增殖材料均采用单相锂基陶瓷材料的框架，采用复相陶瓷材料设计方案，利用溶胶凝胶自蔓燃和胶态湿法成型等技术研究新型复相Li2TiO3-Li2O锂基陶瓷增殖材料的制备技术，理论基础以及材料的热物理、机械、力学和辐照模拟等性能。探索复相陶瓷中晶体结构与相关系转变及存在范围，以及与材料热力学、机械、力学和辐照性能的关系，进而系统揭示Li2TiO3-Li2O复相陶瓷的热机械性能和辐照性能的物理本质，在此基础上寻求固态氚增殖陶瓷材料的性能调控机制和有效途径，探索新型固态氚增殖陶瓷材料，为现有的固态氚增殖陶瓷材料改性和新材料体系的开发提供理论基础和实验根据。

固态氚增殖材料的选择与研发对于人类开发聚变能的聚变堆包层设计至关重要。本项目采用复相陶瓷材料设计方案，利用溶胶凝胶自蔓燃和胶态湿法成型等技术研究了Li2TiO3-Li2O陶瓷增殖材料的制备技术和材料的热物理以及氚释放模拟等性能。研究结果表明采用Sol-Gel自蔓燃技术可以一步合成平均粒径为30nm的Li2TiO3粉体，粉体具有较高的活性，在950℃时可以获得相对密度为95%，直径为1mm的陶瓷微球。采用氢氧化锂中参入10%硝酸锂的混合原料，在氢气气氛下600℃-700℃保温2h可以获得纯相氧化锂粉体，用滚动造粒法制备的Li2O微球，当烧结温度为950℃可以获得最大的烧结密度（理论密度的75%）。开发了一种新的微球制备工艺--石墨包覆法，成功制备了毫米级Li2TiO3陶瓷微球。结果显示液固比对微球球形度有较大影响，当液固比为0.45时可以获得较高的球形度。XRD结果显示，1150 C 烧结 2h的陶瓷微球具有单相Li2TiO3结构，其密度可达理论密度的90%。所制备的Li2TiO3陶瓷微球具有均匀的显微结构和适量的开孔，有利于氚的传输和释放。陶瓷微球具有较高的抗压强度（50N）。采用一种新型粘结固化剂琼脂，利用直接湿法成型工艺制备了密度为84.9%的Li2TiO3陶瓷微球，直径为1mm的陶瓷微球抗压碎强度达到34.0N，热导率高于拟合值，主要由晶体缺陷与声子散射控制，可以主要通过减少Li2TiO3陶瓷球中的晶体缺陷来提高其热导率。Li2TiO3-Li2O复相陶瓷球的烧结过程中，需要足够低的CO2分压，真空压强需达到10-2Pa以下才能使得球体中生成Li2O相。最终球体内的物相成分为Li2TiO3 、Li2O和Li4TiO4。对不同Li2O含量的陶瓷微球的外壳与内核进行了能谱分析，结果表明，Li2TiO3-Li2O复相球在制备过程中存在偏析现象，Li2O相不断从外壳转移到内核中，最终使得外壳主要成分为Li2TiO3，而内核中含较多Li2O。对复相陶瓷微球氚的传输和释放机理进行了模拟计算，结果显示锂与中子作用后产生的氚有一部分会被材料俘获在晶粒内部。复相结构有利于俘获氚的释放，释放速率受各自产物在晶体中的扩散速率和浓度决定。