Вольфрам особенно подходит в качестве материала для сильно нагруженных частей сосуда, в котором находится горячая термоядерная плазма, поскольку это металл с самой высокой температурой плавления. Однако недостатком является его хрупкость, которая при стрессе делает его хрупким и склонным к повреждениям. Новый, более упругий составной материал был разработан Институтом физики плазмы Макса Планка (IPP) в Гархинге. Он состоит из однородного вольфрама со встроенными вольфрамовыми проволоками с покрытием. Технико-экономическое обоснование только что показало базовую пригодность нового соединения.

Целью исследований, проводимых в ИФП, является разработка электростанции, которая, как и Солнце, получает энергию за счет синтеза атомных ядер. В качестве топлива используется водородная плазма низкой плотности. Чтобы зажечь термоядерный огонь, плазму необходимо заключить в магнитные поля и нагреть до высокой температуры. В ядре достигается 100 миллионов градусов. Вольфрам — весьма перспективный металл в качестве материала для деталей, непосредственно контактирующих с горячей плазмой. Это было продемонстрировано обширными исследованиями, проведенными в IPP. Однако до сих пор нерешенной проблемой была хрупкость материала: вольфрам теряет свою вязкость в условиях электростанции. Местное напряжение – растяжение, растяжение или давление – невозможно устранить, слегка прогибаясь. Вместо этого образуются трещины: поэтому компоненты очень чувствительно реагируют на локальные перегрузки.

Именно поэтому ИПП искала структуры, способные разрядить местную напряженность. В качестве модели послужила керамика, армированная волокнами: например, хрупкий карбид кремния становится в пять раз прочнее, если его армировать волокнами карбида кремния. После нескольких предварительных исследований ученый IPP Иоганн Риш должен был выяснить, может ли подобный метод работать с металлическим вольфрамом.

Первым шагом было производство нового материала. Вольфрамовую матрицу пришлось армировать длинными волокнами с покрытием, состоящими из экструдированной вольфрамовой проволоки, тонкой, как волос. Провода, первоначально предназначавшиеся для использования в качестве люминесцентных нитей для лампочек, поставлялись компанией Osram GmbH. В ИФП исследовались различные материалы для их покрытия, в том числе оксид эрбия. Полностью покрытые вольфрамовые волокна затем соединяли вместе, параллельно или сплетая. Чтобы заполнить зазоры между проволоками вольфрамом, Иоганн Риш и его коллеги разработали новый процесс совместно с английским промышленным партнером Archer Technicoat Ltd. В то время как вольфрамовые заготовки обычно спрессовываются из металлического порошка при высокой температуре и давлении, более был найден щадящий метод получения соединения: вольфрам наносится на провода из газовой смеси путем химического процесса при умеренных температурах. Это был первый случай успешного производства вольфрама, армированного вольфрамовым волокном, с желаемым результатом: вязкость разрушения нового соединения уже утроилась по сравнению с вольфрамом без волокон после первых испытаний.

Вторым шагом было исследование того, как это работает: решающим фактором оказалось то, что волокна перекрывают трещины в матрице и могут распределять локально действующую энергию в материале. Здесь границы между волокнами и вольфрамовой матрицей, с одной стороны, должны быть достаточно слабыми, чтобы разрушаться при образовании трещин, а с другой - достаточно прочными, чтобы передавать усилие между волокнами и матрицей. При испытаниях на изгиб это можно было наблюдать непосредственно с помощью рентгеновской микротомографии. Это продемонстрировало основное функционирование материала.

Однако решающим фактором полезности материала является сохранение повышенной прочности при его применении. Иоганн Риш проверил это, исследуя образцы, охрупченные предварительной термической обработкой. Когда образцы подвергались синхротронному излучению или помещались под электронный микроскоп, их растяжение и изгиб также подтвердили в этом случае улучшенные свойства материала: если матрица разрушается под напряжением, волокна способны перекрывать возникающие трещины и останавливать их.

Таким образом, устанавливаются принципы понимания и производства нового материала. Образцы теперь будут производиться в улучшенных технологических условиях и с оптимизированными интерфейсами, что является предпосылкой для крупномасштабного производства. Новый материал может представлять интерес и за пределами области термоядерных исследований.