基于频域热反射法和有限元方法，对在不同温度下制备的SPS钼材料的热导率进行了评价

《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》：Thermal conductivity evaluation of SPS-molybdenum produced at different temperatures based on frequency-domain thermoreflectance and finite element method

　　

摘要

钼（Mo）作为陶瓷-金属（cermet）分散燃料在核热推进（NTP）系统中的基质材料之一，具有很大的潜力。钼的热导率对于核反应堆的安全运行和经济效率至关重要，因为它是一个影响燃料元件温度分布和热传递特性的关键参数。因此，通过频域热反射（FDTR）技术在室温下测量了钼的热导率。同时采用有限元（FE）仿真来表征在不同温度下烧结的火花等离子烧结（SPS）钼基体的热导率变化。FDTR结果显示，随着烧结温度的升高，钼的热导率从1000℃时的63.27 W/(m·K)上升至1700℃时的129.67 W/(m·K)。基于微观结构特性的FE仿真也得出了类似的热导率上升趋势，从1000℃时的55.26 W/(m·K)增加到1700℃时的131.08 W/(m·K)。这表明仿真结果与实验测量结果的高度一致性。值得注意的是，在高温烧结阶段，实验值和仿真值之间的吻合度非常好，误差仅为0.21%。实验测得的热导率值和数值模拟的热导率值随温度升高而呈现一致上升的趋势，这主要归因于钼基体中孔隙率的降低和晶粒尺寸的增大。高密度、大晶粒的钼基体通过减少晶界处的热量散失并增强热流路径的连续性，从而提高了热传导效率。此外，还成功建立了钼基体热导率与其孔隙率之间的定量关联。本研究实现了对具有不同微观结构的钼基体热导率的预测，为Mo-UO?燃料在NTP系统中的应用提供了初步的研究成果和数据支持。

引言

深空探索是人类太空活动的重要方向，也是空间科学技术创新的重要途径，它反映了一个国家的技术水平和经济实力。推进系统是航天器探索能力的核心技术，其成熟度和性能直接决定了深空任务的效率和范围，并为任务的顺利进行提供关键支持。目前，推进系统可以根据不同的能源来源分为化学推进、电推进、激光推进和核热推进（NTP）[1]、[2]。在各种推进方式中，NTP系统利用裂变热能加热水工介质（通常是氢气），凭借其高比冲、较大推力、延长运行寿命以及可重启等优势，已成为深空探索领域中最有前景的推进技术之一[3]、[4]。

陶瓷-金属（cermet）分散燃料具有金属基质和分散的陶瓷燃料颗粒，表现出优异的高温稳定性、良好的氢兼容性和高机械强度，因此成为NTP系统Solid燃料的候选形式[5]、[6]、[7]。难熔金属基质在容纳裂变产物和保持cermet燃料元件结构完整性方面表现出巨大潜力，这得益于它们出色的物理、化学和核性质[8]。在难熔金属基质中，钼（Mo）和钨（W）受到了最广泛的研究关注[9]、[10]。与W相比，Mo具有更低的熔点、更低的密度和更小的热中子吸收截面[4]。这些特性显著降低了NTP系统的质量并减少了热中子的吸收。因此，Mo成为cermet燃料中非常有前途的基质材料。

火花等离子烧结（SPS）是一种先进的烧结技术，通过脉冲电流烧结和Joule加热以及施加的压力实现材料的快速致密化[11]、[12]。该技术已成功用于ZrB?基和HfB?基复合材料的制备，实现了同时致密化、晶粒细化以及固溶体相或反应相的形成[13]、[14]。它具有低温烧结、快速加热速率和抑制晶粒粗化的优点，从而显著提高了材料性能并缩短了制备时间。这项技术已在粉末冶金领域得到广泛应用，特别是用于W和Mo等核结构材料的制备[15]、[16]。作为封装UO?燃料颗粒的金属基质，钼的热导率决定了热量从燃料向基体的传递效率，进而影响热量向推进剂的传递速率[5]。这种热传递机制是决定NTP系统中氢加热效率的关键因素。因此，评估cermet燃料中钼基体的热导率具有重要意义。

本研究探讨了cermet燃料中钼基体的热导率变化，重点研究了在不同烧结温度下用SPS法制备的钼基体。所有不同烧结温度下的钼样品均在室温下使用FDTR方法进行了表征。同时，利用不同温度下的微观结构信息构建了有限元（FE）模型来评估钼基体的热导率。通过整合实验数据和仿真结果，本研究旨在为Mo-UO?燃料在NTP系统中的应用提供重要见解。

章节摘录

样品制备与表征

在本研究中，使用了SPS设备（CY-SPS500-80KW-100T，郑州赛科仪器有限公司，中国）来研究纳米级钼粉在1000至1700℃范围内（间隔100℃）的烧结行为。用于SPS的石墨模具为内径20.4毫米的圆柱形模具，用于制备所有烧结样品。加热前，炉内的真空度被抽至大约10

微观结构演变

图2展示了在不同烧结温度下SPS-Mo样品的AFM形貌。可以看出，随着烧结温度的升高，钼基体表面的突起和凹槽逐渐减少，整体表面均匀性显著提高。这一趋势与表1中显示的样品孔隙率变化相吻合。随着烧结温度的升高，钼基体的孔隙率逐渐

讨论

结构材料的热导率是评估其热传导能力的重要指标，可以直接反映材料内部的热传递效率。在Mo-UO?燃料元件的背景下，Mo作为基质材料，其热传导能力不仅取决于Mo本身的热导率特性，还与其在燃料元件中的微观结构排列密切相关。

结论

本研究结合FDTR技术和FE仿真，全面研究了SPS-Mo基体在室温下的热导率，这种材料被提议用于NTP系统的cermet燃料。实验结果表明，随着烧结温度的升高，钼基体的热导率呈现明显的上升趋势。具体来说，使用FDTR方法测量时，热导率从

CRediT作者贡献声明

郭丽华：撰写——原始草稿、验证、方法学研究、数据分析、概念化。张金鹏：软件开发、实验研究、数据分析。张婷：软件开发、实验研究、数据分析。刘益阳：验证、软件开发、实验研究。卢琳媛：监督、资源管理、方法学研究、实验研究。顾晓坤：软件开发、资源管理、方法学研究。张海冰：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号12405207）和国家自然科学基金（编号U24B2025）的财政支持。

Lihua Guo|Jinpeng Zhang|Ting Zhang|Xiyang Liu|Linyuan Lu|Xiaokun Gu|Haibing Zhang

华南核科学技术学院，中国衡阳421001