Volframi soveltuu erityisen hyvin materiaaliksi astian erittäin jännittyneisiin osiin, jotka ympäröivät kuumaa fuusioplasmaa, sillä se on korkeimman sulamispisteen omaava metalli. Haittana on kuitenkin sen hauraus, joka tekee siitä haurauden ja vaurioitumisalttiita. Garchingin Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) on nyt kehittänyt uuden, joustavamman yhdistemateriaalin. Se koostuu homogeenisesta volframista, johon on upotettu päällystetyt volframilangat. Toteutettavuustutkimus on juuri osoittanut uuden yhdisteen perussoveltuvuuden.

IPP:ssä tehtävän tutkimuksen tavoitteena on kehittää voimalaitos, joka auringon tavoin saa energiaa atomiytimien fuusiosta. Polttoaineena on matalatiheyksinen vetyplasma. Fuusiopalon sytyttämiseksi plasma on rajoitettava magneettikenttiin ja lämmitettävä korkeaan lämpötilaan. Ytimessä saavutetaan 100 miljoonaa astetta. Volframi on erittäin lupaava metalli materiaalina komponenteille, jotka ovat suorassa kosketuksessa kuuman plasman kanssa. Tämän ovat osoittaneet IPP:n laajat tutkimukset. Toistaiseksi ratkaisematon ongelma on kuitenkin ollut materiaalin hauraus: volframi menettää sitkeytensä voimalaitosolosuhteissa. Paikallista rasitusta – jännitystä, venymistä tai painetta – ei voida välttää materiaalin väistämisellä. Sen sijaan muodostuu halkeamia: Komponentit reagoivat siksi erittäin herkästi paikalliseen ylikuormitukseen.

Siksi IPP etsi rakenteita, jotka pystyvät jakamaan paikallista jännitystä. Kuituvahvistettu keramiikka toimi mallina: Esimerkiksi hauras piikarbidi on viisi kertaa sitkeämpi, kun se vahvistetaan piikarbidikuiduilla. Muutaman alustavan tutkimuksen jälkeen IPP-tutkija Johann Riesch tutki, voiko samanlainen käsittely toimia volframimetallin kanssa.

Ensimmäinen askel oli uuden materiaalin tuottaminen. Volframimatriisi oli vahvistettava päällystetyillä pitkillä kuiduilla, jotka koostuivat ekstrudoidusta volframilangasta, joka oli ohut kuin hiukset. Johdot, jotka oli alun perin tarkoitettu hehkulamppujen valolangaksi, toimitti Osram GmbH. IPP:ssä tutkittiin erilaisia ​​pinnoitusmateriaaleja, mukaan lukien erbiumoksidi. Täysin päällystetyt volframikuidut niputettiin sitten yhteen joko rinnakkain tai punottuna. Täyttääkseen lankojen väliset raot volframilla Johann Riesch ja hänen työtoverinsa kehittivät sitten uuden prosessin yhdessä englantilaisen teollisuuskumppanin Archer Technicoat Ltd:n kanssa. Kun taas volframityökappaleet puristetaan yleensä yhteen metallijauheesta korkeassa lämpötilassa ja paineessa, hellävarainen menetelmä yhdisteen valmistamiseksi löydettiin: Volframi kerrostetaan langoille kaasuseoksesta käyttämällä kemiallista prosessia kohtuullisissa lämpötiloissa. Tämä oli ensimmäinen kerta, kun volframikuituvahvistettua volframia tuotettiin onnistuneesti toivotulla tuloksella: Uuden yhdisteen murtolujuus oli jo kolminkertaistunut ensimmäisten testien jälkeen verrattuna kuituvahvisteiseen volframiin.

Toinen askel oli selvittää, miten tämä toimii: Ratkaisevaksi tekijäksi osoittautui se, että kuidut silloivat matriisin halkeamia ja pystyvät jakamaan paikallisesti vaikuttavan energian materiaaliin. Tässä kuitujen ja volframimatriisin välisten rajapintojen on toisaalta oltava riittävän heikkoja, jotta ne antavat periksi halkeamien muodostuessa, ja toisaalta riittävän vahvoja välittämään voiman kuitujen ja matriisin välillä. Taivutuskokeissa tämä voitiin havaita suoraan röntgenmikrotomografian avulla. Tämä osoitti materiaalin perustoiminnan.

Materiaalin käyttökelpoisuuden kannalta ratkaisevaa on kuitenkin se, että parannettu sitkeys säilyy sitä levitettäessä. Johann Riesch tarkisti tämän tutkimalla näytteitä, jotka olivat haurastuneet aikaisemmasta lämpökäsittelystä. Kun näytteet altistettiin synkrotronisäteilylle tai laitettiin elektronimikroskoopin alle, niiden venyttäminen ja taivuttaminen vahvisti myös tässä tapauksessa materiaaliominaisuuksien parantumista: Jos matriisi pettää jännityksessä, kuidut pystyvät sillaamaan syntyneet halkeamat ja poistamaan ne.

Uuden materiaalin ymmärtämisen ja tuottamisen periaatteet ovat siis päässeet. Näytteitä valmistetaan nyt parannetuissa prosessiolosuhteissa ja optimoiduilla liitännöillä, mikä on suuren mittakaavan tuotannon edellytys. Uusi materiaali saattaa kiinnostaa myös fuusiotutkimuksen alan ulkopuolella.