Ti3SiC2 MAX相材料的輻照損傷及氦行為研究.pdf

1、核聚變?yōu)槿祟愇磥砟茉刺峁┝艘粋€理想的選擇，將成為世界能量供給的主要源泉。但是，聚變能的利用目前仍然面臨科學以及技術兩方面的挑戰(zhàn)。其中，在“燃燒環(huán)境下”聚變堆結構材料的性能是最嚴重的問題之一，早在1946年，費米就指出，核技術成功的關鍵取決于強輻照下材料的行為。
　　聚變能源裝置中結構材料不僅面臨高通量的14MeV的高能中子的輻照損傷，同時承受14MeV高能中子與材料原子核發(fā)生(n，α)、(n，p)反應生成的大量氫氦以及其他產(chǎn)物的作

2、用。這將對材料的高溫力學和熱學性能、抗輻照性能以及其它一些物理化學和技術特性提出了最嚴重挑戰(zhàn)。
　　本文針對聚變堆結構材料面臨的兩個主要問題即粒子輻照效應和嬗變氫氦在結構材料中的行為展開研究。在聚變反應堆中，載能粒子與結構材料的晶格原子發(fā)生碰撞產(chǎn)生初級離位原子(PKA)和嬗變核素，而這些初級離位原子和嬗變核素在晶格中又會產(chǎn)生一系列的碰撞從而形成碰撞級聯(lián)。在碰撞過程中主要是結構材料自身原子之間的碰撞，因此采用自離子輻照研究材料的輻照

3、損傷更加接近真實環(huán)境，而且不會引入雜質，避免了摻雜效應。
　　Ti3SiC2 MAX相材料被認為是一種潛在的聚變堆候選結構材料，本文開展了Ti3SiC2 MAX相材料的自離子輻照損傷研究，并進一步開展了氫氦在Ti3SiC2材料中的行為研究。結合離子束分析、同步輻射X射線衍射、掃描電鏡、透射電鏡等技術對材料進行了分析研究。
　　對于C離子輻照Ti3SiC2的研究發(fā)現(xiàn)，室溫下輻照損傷隨輻照劑量的增加而增加，然而即使在最高的輻照劑

4、量1.78×1017/cm2下材料仍沒有非晶化。相同劑量的C離子輻照下，不同掠角XRD分析表明樣品表面損傷較重，這主要是由于輻照產(chǎn)生的缺陷遷移到表面并聚集形成的。當輻照溫度高于200℃時，發(fā)現(xiàn)分解相TiC幾乎探測不到，說明高溫輻照下產(chǎn)生的缺陷能夠迅速恢復，這和輻照后退火效應不同，輻照后在高溫下退火分解相TiC的結晶度變好，說明室溫下輻照產(chǎn)生的缺陷幾乎不可恢復。當輻照溫度為350℃時，材料損傷出現(xiàn)一較小值，這主要是由于輻照過程中缺陷的產(chǎn)生

5、、復合、遷移和聚集共同作用的結果。同時在350℃輻照時，未損傷的Ti3SiC2含量很高，而在850℃輻照時，損傷的Ti3SiC2含量很高，但是晶格損傷程度較小。Raman和IBA分析表明輻照樣品近表層含有高濃度C，主要來源于C間隙原子的熱擴散以及輻照引起的擴散。SEM分析發(fā)現(xiàn)在室溫輻照下，材料出現(xiàn)了裂紋，而在高溫輻照時并沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，表明Ti3SiC2具有很好的耐高溫抗輻照損傷特性。TEM分析發(fā)現(xiàn)材料損傷區(qū)出現(xiàn)了紊亂現(xiàn)象，并且表面損傷嚴

6、重，但是并沒有非晶化。
　　對于Si離子輻照，探索了不同輻照劑量和不同輻照溫度下的損傷情況，結果和C離子輻照有很多相似的現(xiàn)象。然而對室溫和高溫樣品的SEM分析未發(fā)現(xiàn)有類似C離子輻照Ti3SiC2產(chǎn)生的裂紋存在，說明Si離子對Ti3SiC2的輻照損傷可能比C離子小。
　　氦是一種閉合電子殼層結構的原子，幾乎不溶于任何材料，并且在材料中容易擴散、聚集、沉淀成氣泡形成氦脆，從而對材料產(chǎn)生嚴重的損傷。因此對氦的研究十分必要。氦行為與

7、氦擴散密切相關，本文通過3He(d，p)4He核反應得到了氦在Ti3SiC2中不同溫度處的擴散系數(shù)，并討論了He在不同溫度下的擴散行為。
　　氦對Ti3SiC2材料的輻照行為研究發(fā)現(xiàn)，He離子輻照損傷比自離子嚴重，這主要是由于He離子輻照Ti3SiC2材料不僅產(chǎn)生了輻照損傷效應而且引入的氦占據(jù)材料中的空位，不斷擴散、聚集、演化成泡，氦泡和由此產(chǎn)生的缺陷演化對材料也產(chǎn)生了嚴重的損傷。氫氦協(xié)同輻照研究發(fā)現(xiàn)，在恒定的氦輻照劑量下，隨著氫

8、輻照劑量的增加晶體損傷不斷加重，然而當氫輻照劑量增加到一定程度時，晶體的質量反而變好，這主要是由于氫的引入減緩了氦的演化速率，從而減小了氦聚集對材料產(chǎn)生的損傷。SEM分析發(fā)現(xiàn)室溫下氦輻照和氫氦協(xié)同輻照樣品表面均出現(xiàn)了裂紋，表明氦的演化在材料內部產(chǎn)生了較大的應力。
　　Ti3SiC2薄膜材料在核反應堆中有著重要的潛在應用，本文對單晶Ti3SiC2薄膜材料的制備也進行了探索。首次成功地在室溫下合成Ti3SiC2單晶薄膜生長所需要的單晶