Compuestos de tungsteno reforzado con fibra de tungsteno (W/W) a granel utilizando preformas textiles basadas en hilos
Autores: Lau, Alexander; Coenen, Jan Willem; Schwalenberg, Daniel; Mao, Yiran; Höschen, Till; Riesch, Johann; Raumann, Leonard; Treitz, Michael; Gietl, Hanns; Terra, Alexis; Göhts, Beatrix; Linsmeier, Christian; Theis-Bröhl, Katharina; Gonzalez-Julian, Jesus
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Compuestos de tungsteno reforzado con fibra de tungsteno (W/W) a granel utilizando preformas textiles basadas en hilos
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Nuclear
Palabras clave
Tungsten
Compuestos
Propiedades mecánicas
Tipos de tela
Carga cíclica
Distribución de fibras
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 33
Citaciones: Sin citaciones
El uso de compuestos de tungsteno reforzados con fibra de tungsteno (W/W) ha demostrado mejorar significativamente las propiedades mecánicas del tungsteno (W) al incorporar fibras de W en la matriz de W. Sin embargo, investigaciones previas se han visto restringidas por el uso de tejidos textiles basados en una sola fibra, compuestos de filamentos de urdimbre de 150 um y de trama de 50 um, con homogeneidad, reproducibilidad y propiedades mecánicas limitadas en estructuras a granel debido a la rigidez de las fibras de W de 150 um. Para superar esta limitación, se desarrollaron dos preformas textiles novedosas utilizando hilos de W trenzados radialmente con 7 filamentos centrales y 16 filamentos de funda (R.B. 16 + 7), con un diámetro de 25 um cada uno, como material de urdimbre. En este estudio, se produjeron compuestos a granel de dos tipos diferentes de tejido a través de un proceso de CVD capa por capa, utilizando filamentos individuales de 50 um (tipo 1) y hilos R.B. 16 + 7 (tipo 2) como materiales de trama. Los compuestos producidos se seccionaron en especímenes tipo KLST según DIN EN ISO 179-1:2000 utilizando mecanizado por descarga eléctrica (EDM) y se sometieron a pruebas de flexión en tres puntos. Ambos compuestos demostraron propiedades mecánicas mejoradas con un comportamiento pseudo-ductil a temperatura ambiente y soportaron más de 10,000 ciclos de carga entre el 50-90% de su carga máxima respectiva sin fractura de la muestra en pruebas de carga cíclica en tres puntos. Además, se desarrolló un enfoque novedoso para predecir el comportamiento a fatiga del material bajo carga cíclica basado en la alta reproducibilidad de los compuestos producidos, especialmente para el compuesto basado en el tipo 1. Este enfoque proporciona un nuevo punto de referencia para los esfuerzos de escalado y puede permitir una mejor predicción de la vida útil de los componentes producidos de W/W en el futuro. En comparación, el compuesto basado en el tejido tipo 1 demostró resultados superiores en rendimiento de fabricación y propiedades mecánicas. Con una alta densidad promedio relativa (>97%), una alta fracción de volumen de fibra (14-17%) y una distribución de fibra muy homogénea en la matriz de CVD-W, el tipo 1 muestra una opción prometedora para ser probado en pruebas de alto flujo de calor y para ser potencialmente utilizado como alternativa a los materiales actualmente utilizados para los componentes más estresados de los reactores de fusión nuclear u otros campos de aplicación potencial como la energía solar concentrada (CSP), turbinas de aeronaves, la industria del acero, la computación cuántica o herramientas de soldadura. Los compuestos tipo 2 tienen un mayor espaciado de capas en comparación con el tipo 1, lo que resulta en huecos dentro de la matriz y propiedades materiales menos homogéneas. Si bien los compuestos tipo 2 han demostrado una mejora notable sobre los compuestos basados en fibras de 150 um, no son viables para el escalado industrial a diferencia de los compuestos tipo 1.
Descripción
El uso de compuestos de tungsteno reforzados con fibra de tungsteno (W/W) ha demostrado mejorar significativamente las propiedades mecánicas del tungsteno (W) al incorporar fibras de W en la matriz de W. Sin embargo, investigaciones previas se han visto restringidas por el uso de tejidos textiles basados en una sola fibra, compuestos de filamentos de urdimbre de 150 um y de trama de 50 um, con homogeneidad, reproducibilidad y propiedades mecánicas limitadas en estructuras a granel debido a la rigidez de las fibras de W de 150 um. Para superar esta limitación, se desarrollaron dos preformas textiles novedosas utilizando hilos de W trenzados radialmente con 7 filamentos centrales y 16 filamentos de funda (R.B. 16 + 7), con un diámetro de 25 um cada uno, como material de urdimbre. En este estudio, se produjeron compuestos a granel de dos tipos diferentes de tejido a través de un proceso de CVD capa por capa, utilizando filamentos individuales de 50 um (tipo 1) y hilos R.B. 16 + 7 (tipo 2) como materiales de trama. Los compuestos producidos se seccionaron en especímenes tipo KLST según DIN EN ISO 179-1:2000 utilizando mecanizado por descarga eléctrica (EDM) y se sometieron a pruebas de flexión en tres puntos. Ambos compuestos demostraron propiedades mecánicas mejoradas con un comportamiento pseudo-ductil a temperatura ambiente y soportaron más de 10,000 ciclos de carga entre el 50-90% de su carga máxima respectiva sin fractura de la muestra en pruebas de carga cíclica en tres puntos. Además, se desarrolló un enfoque novedoso para predecir el comportamiento a fatiga del material bajo carga cíclica basado en la alta reproducibilidad de los compuestos producidos, especialmente para el compuesto basado en el tipo 1. Este enfoque proporciona un nuevo punto de referencia para los esfuerzos de escalado y puede permitir una mejor predicción de la vida útil de los componentes producidos de W/W en el futuro. En comparación, el compuesto basado en el tejido tipo 1 demostró resultados superiores en rendimiento de fabricación y propiedades mecánicas. Con una alta densidad promedio relativa (>97%), una alta fracción de volumen de fibra (14-17%) y una distribución de fibra muy homogénea en la matriz de CVD-W, el tipo 1 muestra una opción prometedora para ser probado en pruebas de alto flujo de calor y para ser potencialmente utilizado como alternativa a los materiales actualmente utilizados para los componentes más estresados de los reactores de fusión nuclear u otros campos de aplicación potencial como la energía solar concentrada (CSP), turbinas de aeronaves, la industria del acero, la computación cuántica o herramientas de soldadura. Los compuestos tipo 2 tienen un mayor espaciado de capas en comparación con el tipo 1, lo que resulta en huecos dentro de la matriz y propiedades materiales menos homogéneas. Si bien los compuestos tipo 2 han demostrado una mejora notable sobre los compuestos basados en fibras de 150 um, no son viables para el escalado industrial a diferencia de los compuestos tipo 1.