含异质界面SiC材料的重离子辐照效应

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1、国内图书分类号：TB332西北工业大学工学博士学位论文含异质界面SiC材料的重离子辐照效应博士研究生：刘雯导师：成来飞教授申请学位级别：博士学科、专业：材料学所在单位：材料学院答辩日期：2017年11月授予学位单位：西北工业大学Classifiedindex:TB332DissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyTheirradiationeffectsonSiCmaterialswithheterogeneousinterfacesinducedby

2、heavyionsPh.D.Candidate:LIUWenAdvisor:Prof.CHENGLaifeiAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofPhilosophySpecialty:MaterialsScienceSchool:MaterialsScienceandEngineeringDateofOralDefence:November,2017UnitofDegreeConferred:NorthwesternPolytechnicalUniversity摘要摘要连续SiC纤维增韧SiC陶瓷基复合材料（SiCf/SiC）具有优异的性能，是未来核反应堆

3、设计理想的候选结构材料。多种制备工艺和多元结构，导致富硅或富碳SiC环境所形成的Si/SiC或C/SiC异质界面结构在复合材料中十分普遍。最新研究发现，纳米材料中所含的大量界面对辐照诱导缺陷具有“吸收阱”作用，可显著提高材料的抗辐照性能。此外，异质界面的性能和结构会影响材料的抗辐照性能。以核能应用为研究背景，本文采用重离子辐照模拟中子辐照，开展了三种异质界面结构的辐照效应的基础研究，包括：Si/SiC异质界面、C/SiC异质界面和聚合物转化纳米SiC中的异质界面。最后对二维（2D）SiCf/SiC的离子辐照效应进行了考察。主要研究内容及结果如下：（1）采用2MeVAu2+，注量1×10

4、16ion/cm2，在室温下，研究了Si/SiC异质界面的辐照效应。结果表明：残余Si体积分数VSi为17.1vol.%的SiC中临界完全非晶化剂量Dc等于0.09dpa~0.11dpa，小于多晶纯微米SiC的临界完全非晶化剂量（0.25dpa）。辐照过程残余Si在晶界诱导偏析。完全非晶化后，纳米压痕测试的硬度和杨氏模量衰变分别为68.8%和69.9%。采用Raman光谱压电效应对离子辐照损伤层的残余应力进行估计，室温辐照下，残余应力（）几乎完全来自辐照诱导体积肿胀（），即，所ss用富Si的SiC样品中的微观应力场等于1.186GPa，为拉应力。比较热应力（）和Ts随工作

5、温度对残余应力的贡献：当辐照温度低于临界非晶化温度（Tc）时，σs占主导；当位于饱和点缺陷膨胀区（Tc

6、.3nm或理论模拟值12nm提高到~270nm，显著提高SiC抗辐照非晶化膨胀能力。粒径>450nmSiC晶粒具有与单晶或多晶微米纯SiC类似的体积肿胀行为，但缺陷可优先在PyC界面处聚集，从而良好的保护了SiC，至注量为7.88×1018He+/cm2时，SiC晶粒内观察到首个缺陷，直径为~8nm，远高于单晶SiC缺陷形成的阈值注量（~1×1017He+/cm2）。原位HIM电镜辐照研究发现：向C/SiC异质界面注入高剂量He+离子，可形成两类辐照诱导缺陷：第I类缺陷，He原子填充在间隙位，具有可修复性；第II类缺陷，为空洞型缺陷，具有不可移动和不饱和性。根据记录的缺陷行为结合氦泡中

7、三种压力的竞争关系，分析了C/SiC异质界面中的氦缺陷演变过程。辐照温度影响的研究表明：随着辐照温度升高，C/SiC异质界面SiC和C两相中的缺陷复合增强，辐照导致的无序化程度降低。HIM表面形貌图像显示，C/SiC界面结构在700K辐照后I西北工业大学博士学位论文产生少量微裂纹，可能是由类石墨结构中不同方向的应变失配造成的。（3）通过控制聚合物转化陶瓷（PDC）工艺的裂解温度，在原子尺度实现对陶瓷结构的精确控制，采用2MeVAu2+，注量1×