鎢-纖維/絲複合材料由金屬鎢基體和增強(qiáng)體構(gòu)成，基體作為連續(xù)相提供高熔點(diǎn)、高密度、耐高溫與抗輻照等核心性能，增強(qiáng)體包括鎢絲、碳纖維和碳化矽纖維，分別起到增韌、輕量化和提高高溫強(qiáng)度的作用，並通過裂紋偏轉(zhuǎn)、纖維橋接和拔出等機(jī)制顯著提升韌性。鎢-纖維/絲複合材料斷裂韌性較純鎢顯著改善，具備優(yōu)良的抗熱震性、高溫強(qiáng)度保持率、抗等離子體與中子輻照能力，同時(shí)保留鎢固有的導(dǎo)熱和導(dǎo)電特性。其製備方法有化學(xué)氣相沉積、粉末冶金、熔滲和增材製造。鎢-纖維/絲複合材料的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋航空航太熱端部件、核聚變裝置第一壁、大功率電子封裝、穿甲彈芯以及極端工業(yè)模具等。
一、鎢-纖維/絲複合材料的構(gòu)成
鎢-纖維/絲複合材料主要由基體和增強(qiáng)體兩部分構(gòu)成。
鎢-纖維/絲複合材料的基體為金屬鎢，作為連續(xù)相，它賦予材料高熔點(diǎn)、高密度、優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性以及抗輻射與抗等離子體侵蝕等核心性能。
增強(qiáng)體則包括鎢絲、碳纖維和碳化矽纖維，它們各自發(fā)揮不同的作用。鎢絲的作用是實(shí)現(xiàn)自增韌，改善鎢基體本征脆性的問題。碳纖維可以提供高比強(qiáng)度和比模量，有助於實(shí)現(xiàn)輕量化和高強(qiáng)度。碳化矽纖維則主要用於提高材料的高溫強(qiáng)度和抗氧化能力。
增強(qiáng)體是複合材料中主要的承擔(dān)載荷和提高韌性的部分。它通過以下幾種微觀機(jī)制來提升材料的宏觀韌性。裂紋偏轉(zhuǎn)，即裂紋在基體中擴(kuò)展遇到纖維時(shí)，會(huì)沿著纖維介面改變方向，路徑變長，過程中消耗更多能量；纖維橋接，即當(dāng)裂紋張開時(shí)，橫跨裂紋的纖維仍保持連接，對裂紋面起到閉合作用，從而降低裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力；纖維拔出，則是指材料斷裂時(shí)，纖維從基體中被拔出，拔出過程中纖維與基體間的摩擦?xí)沾罅磕芰?，從而提高材料的斷裂功?/p>
鎢-纖維/絲複合材料構(gòu)成與增韌機(jī)制
二、鎢-纖維/絲複合材料的主要特性
鎢-纖維/絲複合材料的主要特性包括以下幾個(gè)方面。
鎢-纖維/絲複合材料的斷裂韌性較高。與傳統(tǒng)塊體鎢材料相比，這種複合材料抵抗裂紋萌生和擴(kuò)展的能力顯著提高。
材料的抗熱震性能較好。增強(qiáng)纖維能有效抑制因溫度急劇變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力裂紋的形成、擴(kuò)展和貫通。
鎢-纖維/絲複合材料具有突出的高溫力學(xué)性能。在高溫下，纖維起到主要承載作用，使材料具有較高的強(qiáng)度保留率和抗蠕變能力。
該材料具有良好的環(huán)境耐受性。鎢-纖維/絲複合材料保留了鎢基體本身的抗等離子體濺射、耐腐蝕和耐中子輻照等特點(diǎn)，適合在較苛刻的環(huán)境中使用。
鎢-纖維/絲複合材料還保留了鎢的基本特性，仍具有鎢的高熔點(diǎn)、高密度以及良好的導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。
三、鎢-纖維/絲複合材料的製備方法
鎢-纖維/絲複合材料的製備主要有以下幾種方法。
化學(xué)氣相沉積法是在連續(xù)鎢纖維表面通過氣相反應(yīng)逐層沉積鎢，形成纖維作為芯、鎢作為殼的結(jié)構(gòu)單元，然後再進(jìn)行緻密化處理。這種方法適合製備連續(xù)纖維增強(qiáng)的複合材料。
粉末冶金法是將鎢粉與短切纖維混合均勻，然後通過熱壓燒結(jié)或熱等靜壓等方式壓制燒結(jié)成緻密的材料。
熔滲法是先把增強(qiáng)纖維做成帶有貫通孔隙的預(yù)製體，再利用壓力或毛細(xì)作用，將熔融的鎢或鎢合金滲入到孔隙中，冷卻後得到緻密的構(gòu)件。
而增材製造的方法結(jié)合了三維列印技術(shù)，比如先通過間接列印的方式製備出含有纖維網(wǎng)路的生坯，再經(jīng)過脫脂、還原和高溫?zé)Y(jié)等步驟使材料緻密化。這種方法為製備形狀複雜的構(gòu)件提供了新的途徑。
四、鎢-纖維/絲複合材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域
在航空航太領(lǐng)域，這種材料被用於火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的喉襯、燃?xì)舛妫约案叱羲亠w行器的鼻錐和機(jī)翼前緣等熱端部件，這些部件在飛行中會(huì)承受很強(qiáng)的氣動(dòng)加熱，鎢-纖維/絲複合材料的高熔點(diǎn)和抗熱震性能可以滿足這種工況要求。
核能工程與聚變裝置方面，該材料可用作磁約束核聚變裝置中面向等離子體的第一壁和偏濾器靶板的主要材料。這些部件直接面對等離子體和高能中子輻照，對可靠性的要求很高。
高端電子與能源裝備方面，鎢-纖維/絲複合材料可用於大功率電子器件的封裝基板和熱沉等熱管理部件，也用於X射線管的陰極等場發(fā)射器件。
在軍工和防護(hù)領(lǐng)域，鎢-纖維/絲複合材料作為新一代大長徑比動(dòng)能穿甲彈的彈芯材料，利用其高密度與高韌性的特性實(shí)現(xiàn)深層侵徹，同時(shí)鎢-纖維/絲複合材料也用於高性能複合裝甲系統(tǒng)，提升對穿甲彈的防護(hù)能力。
特種工業(yè)與極限製造中，鎢-纖維/絲複合材料可用在高溫?zé)Y(jié)爐的承燒構(gòu)件、熱壓或熱等靜壓工藝中的耐高溫模具，以及特種金屬熱軋用的高性能軋輥這些在極端工況下使用，需要較長的使用壽命和良好的穩(wěn)定性的部件上。
