텅스텐은 특히 뜨거운 융합 플라즈마를 포함하는 용기의 높은 응력을 받는 부분을 위한 재료로 적합하며, 가장 높은 융점을 갖는 금속입니다. 그러나 단점은 부서지기 쉽다는 것인데, 이로 인해 응력을 받으면 깨지기 쉽고 손상되기 쉽습니다. 이제 Garching의 막스 플랑크 플라즈마 물리학 연구소(IPP)에서 새롭고 탄력성이 뛰어난 복합 재료를 개발했습니다. 이는 코팅된 텅스텐 와이어가 내장된 균질한 텅스텐으로 구성됩니다. 타당성 조사에서 새로운 화합물의 기본적인 적합성이 방금 나타났습니다.

IPP에서 수행되는 연구의 목적은 태양처럼 원자핵 융합에서 에너지를 얻는 발전소를 개발하는 것입니다. 사용된 연료는 저밀도 수소 플라즈마이다. 핵융합 화재를 점화하려면 플라즈마를 자기장에 가두어 고온으로 가열해야 합니다. 핵심에서는 1억도에 도달합니다. 텅스텐은 고온 플라즈마와 직접 접촉하는 부품의 재료로서 매우 유망한 금속입니다. 이는 IPP의 광범위한 조사를 통해 입증되었습니다. 그러나 지금까지 해결되지 않은 문제는 재료의 취성이었습니다. 텅스텐은 발전소 조건에서 인성을 잃습니다. 국부적인 응력(인장, 늘어짐 또는 압력)은 재료가 약간 무너지는 것을 방지할 수 없습니다. 대신 균열이 형성됩니다. 따라서 구성 요소는 국부적 과부하에 매우 민감하게 반응합니다.

그래서 IPP는 국지적 긴장을 분산시킬 수 있는 구조를 찾았다. 섬유 강화 세라믹이 모델로 사용되었습니다. 예를 들어 부서지기 쉬운 탄화 규소는 탄화 규소 섬유로 강화되면 5배 더 견고해집니다. 몇 가지 예비 연구 후에 IPP 과학자 Johann Riesch는 유사한 처리가 텅스텐 금속에 적용될 수 있는지 여부를 조사했습니다.

첫 번째 단계는 새로운 물질을 생산하는 것이었습니다. 텅스텐 매트릭스는 머리카락만큼 얇은 압출 텅스텐 와이어로 구성된 코팅된 긴 섬유로 강화되어야 했습니다. 원래 전구용 발광 필라멘트로 의도된 와이어는 Osram GmbH에서 공급했습니다. 산화에르븀을 포함하여 이를 코팅하기 위한 다양한 재료가 IPP에서 조사되었습니다. 그런 다음 완전히 코팅된 텅스텐 섬유를 평행하게 또는 편조하여 함께 묶었습니다. 텅스텐으로 와이어 사이의 간격을 메우기 위해 Johann Riesch와 그의 동료들은 영국의 산업 파트너인 Archer Technicoat Ltd와 협력하여 새로운 공정을 개발했습니다. 텅스텐 가공물은 일반적으로 고온 및 고압에서 금속 분말로 함께 압착되는 반면, 화합물을 생산하는 온화한 방법이 발견되었습니다. 텅스텐은 적당한 온도에서 화학 공정을 적용하여 가스 혼합물로부터 와이어에 증착됩니다. 텅스텐 섬유 강화 텅스텐이 성공적으로 생산된 것은 이번이 처음이며 원하는 결과를 얻었습니다. 새로운 화합물의 파괴 인성은 첫 번째 테스트 이후 섬유 없는 텅스텐에 비해 이미 3배나 증가했습니다.

두 번째 단계는 이것이 어떻게 작동하는지 조사하는 것이었습니다. 결정적인 요인은 섬유가 매트릭스의 균열을 연결하고 재료에 국부적으로 작용하는 에너지를 분배할 수 있다는 것이 입증되었습니다. 여기서 섬유와 텅스텐 매트릭스 사이의 경계면은 균열이 형성될 때 무너질 만큼 약해야 하고, 다른 한편으로는 섬유와 매트릭스 사이에 힘을 전달할 만큼 강해야 합니다. 굽힘 시험에서 이는 X선 현미경 단층 촬영을 통해 직접 관찰할 수 있습니다. 이는 재료의 기본 기능을 보여주었습니다.

그러나 이 소재의 유용성을 결정짓는 것은 적용 시 강화된 인성이 유지된다는 점입니다. Johann Riesch는 이전 열처리로 인해 부서진 샘플을 조사하여 이를 확인했습니다. 샘플을 싱크로트론 방사선에 노출시키거나 전자 현미경으로 관찰했을 때 샘플을 늘리고 구부리면 향상된 재료 특성이 확인되었습니다. 응력을 받을 때 매트릭스가 파손되면 섬유는 발생하는 균열을 연결하고 막을 수 있습니다.

이로써 신소재를 이해하고 생산하는 원칙이 확립되었습니다. 이제 샘플은 개선된 공정 조건과 최적화된 인터페이스에서 생산되며 이는 대규모 생산의 전제 조건입니다. 새로운 물질은 융합 연구 분야를 넘어서도 흥미로울 수 있습니다.