Mae twngsten yn arbennig o addas fel deunydd ar gyfer rhannau o'r llong dan bwysau mawr sy'n amgáu plasma ymasiad poeth, sef y metel â'r pwynt toddi uchaf. Anfantais, fodd bynnag, yw ei brau, sydd o dan straen yn ei wneud yn fregus ac yn agored i niwed. Mae deunydd cyfansawdd newydd, mwy gwydn bellach wedi'i ddatblygu gan Sefydliad Max Planck ar gyfer Ffiseg Plasma (IPP) yn Garching. Mae'n cynnwys twngsten homogenaidd gyda gwifrau twngsten wedi'u gorchuddio wedi'u mewnosod. Mae astudiaeth ddichonoldeb newydd ddangos addasrwydd sylfaenol y compownd newydd.

Amcan yr ymchwil a gynhaliwyd yn IPP yw datblygu gorsaf bŵer sydd, fel yr haul, yn deillio egni o ymasiad niwclysau atomig. Y tanwydd a ddefnyddir yw plasma hydrogen dwysedd isel. Er mwyn cynnau'r tân ymasiad mae'n rhaid cyfyngu'r plasma mewn meysydd magnetig a'i gynhesu i dymheredd uchel. Yn y craidd 100 miliwn o raddau yn cael ei gyrraedd. Mae twngsten yn fetel hynod addawol fel deunydd ar gyfer cydrannau sy'n dod i gysylltiad uniongyrchol â'r plasma poeth. Mae hyn wedi'i ddangos gan ymchwiliadau helaeth yn IPP. Problem heb ei datrys hyd yma, fodd bynnag, fu brau'r deunydd: mae twngsten yn colli ei wydnwch o dan amodau gwaith pŵer. Ni all straen lleol - tyndra, ymestyn neu bwysau - gael ei ddileu gan y deunydd ychydig yn ildio. Craciau yn ffurfio yn lle hynny: Mae cydrannau felly yn ymateb yn sensitif iawn i orlwytho lleol.

Dyna pam yr edrychodd IPP am strwythurau a allai ddosbarthu tensiwn lleol. Roedd cerameg wedi'i hatgyfnerthu â ffibr yn fodelau: Er enghraifft, mae carbid silicon brau yn cael ei wneud bum gwaith mor galed pan gaiff ei atgyfnerthu â ffibrau carbid silicon. Ar ôl ychydig o astudiaethau rhagarweiniol, roedd y gwyddonydd IPP, Johann Riesch, i ymchwilio i weld a all triniaeth debyg weithio gyda metel twngsten.

Y cam cyntaf oedd cynhyrchu'r deunydd newydd. Roedd yn rhaid atgyfnerthu matrics twngsten gyda ffibrau hir wedi'u gorchuddio a oedd yn cynnwys gwifren twngsten allwthiol yn denau fel gwallt. Roedd y gwifrau, a fwriadwyd yn wreiddiol fel ffilamentau goleuol ar gyfer bylbiau golau, yn cael eu cyflenwi gan Osram GmbH. Ymchwiliwyd i ddeunyddiau amrywiol ar gyfer eu gorchuddio yn IPP, gan gynnwys erbium ocsid. Yna cafodd y ffibrau twngsten wedi'u gorchuddio'n llwyr eu gosod gyda'i gilydd, naill ai'n gyfochrog neu wedi'u plethu. Er mwyn llenwi'r bylchau rhwng y gwifrau â thwngsten, datblygodd Johann Riesch a'i gydweithwyr broses newydd ar y cyd â phartner diwydiannol Lloegr Archer Technicoat Ltd. Tra bod darnau gwaith twngsten fel arfer yn cael eu gwasgu gyda'i gilydd o bowdr metel ar dymheredd a gwasgedd uchel, a mwy Darganfuwyd dull ysgafn o gynhyrchu'r cyfansoddyn: Mae'r twngsten yn cael ei ddyddodi ar y gwifrau o gymysgedd nwyol trwy gymhwyso proses gemegol ar dymheredd cymedrol. Dyma'r tro cyntaf i twngsten wedi'i atgyfnerthu â thwngsten-ffibr gael ei gynhyrchu'n llwyddiannus, gyda'r canlyniad dymunol: Roedd caledwch torri asgwrn y cyfansoddyn newydd eisoes wedi treblu mewn perthynas â thwngsten di-ffibr ar ôl y profion cyntaf.

Yr ail gam oedd ymchwilio i sut mae hyn yn gweithio: Y ffactor tyngedfennol oedd bod y bont ffibrau'n cracio yn y matrics ac yn gallu dosbarthu'r egni sy'n gweithredu'n lleol yn y deunydd. Yma, mae'n rhaid i'r rhyngwynebau rhwng ffibrau a'r matrics twngsten, ar y naill law, fod yn ddigon gwan i ildio pan fydd craciau'n ffurfio ac, ar y llaw arall, fod yn ddigon cryf i drosglwyddo'r grym rhwng y ffibrau a'r matrics. Mewn profion plygu gellid arsylwi hyn yn uniongyrchol trwy gyfrwng microtomograffeg pelydr-X. Roedd hyn yn dangos gweithrediad sylfaenol y deunydd.

Fodd bynnag, yn bendant ar gyfer defnyddioldeb y deunydd yw bod y caledwch uwch yn cael ei gynnal pan gaiff ei gymhwyso. Gwiriodd Johann Riesch hyn trwy ymchwilio i samplau a oedd wedi'u britho gan driniaeth thermol flaenorol. Pan oedd y samplau'n destun ymbelydredd synchrotron neu eu rhoi o dan y microsgop electron, cadarnhaodd eu hymestyn a'u plygu hefyd yn yr achos hwn y priodweddau deunydd gwell: Os bydd y matrics yn methu pan straen, mae'r ffibrau'n gallu pontio'r craciau sy'n digwydd a'u rhwystro.

Mae'r egwyddorion ar gyfer deall a chynhyrchu'r deunydd newydd felly wedi'u pennu. Mae samplau i'w cynhyrchu nawr o dan amodau proses gwell a chyda rhyngwynebau optimaidd, dyma'r rhagofyniad ar gyfer cynhyrchu ar raddfa fawr. Gallai'r deunydd newydd hefyd fod o ddiddordeb y tu hwnt i faes ymchwil ymasiad.