多梯度高能离子辐照4H-SiC的缺陷演化及力学性能研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院近代物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:mumu_lucky
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随着国家“双碳”目标的提出,核能作为一种清洁能源在能源可持续发展中的地位愈加重要。然而核材料在反应堆中的性能退化一直是阻碍先进核能技术发展的主要瓶颈。碳化硅由于拥有高熔点、高热导率,高耐腐蚀率、中子反应截面小等优异特点,被认为是良好的先进核能候选材料之一。在服役期间,碳化硅组件长期处于高温、高腐蚀、高辐照环境下,容易发生肿胀、硬化、蠕变等现象。因此离子辐照下碳化硅的缺陷演化行为及力学性能变化研究可以促进其在核能领域的应用。本文通过多梯度高能Ne离子辐照研究了4H-SiC中的辐照损伤规律。主要内容为利用拉曼光谱、红外光谱、纳米压痕等表征手段分析了高温辐照下的缺陷演化及硬度变化,得出结论如下:高温辐照导致相对拉曼强度随剂量的增加呈指数规律下降,并逐渐趋于饱和值0.15。样品在最大剂量8.05dpa时未发生非晶化现象,E1(TO)特征峰消失。辐照损伤使得晶格发生畸变和原子间的化学重排,导致辐照后无序化Si-C键和同核Si-Si键的出现。在退火温度T<650℃下,缺陷演化主要为高温注入残留的简单缺陷复合;在650℃<T<850℃下,缺陷聚集,位错环生长,由于在有限的退火时间内缺陷没有充分复合,故延续了上一阶段的退火特征;在850℃<T<1000℃下,Ne离子被空位团簇捕捉,进一步演化为扩展缺陷簇,阻碍缺陷的恢复。辐照后,样品总无序度随剂量的增长而变大,在低剂量范围内扩展缺陷簇是引起无序化的主要因素,高剂量范围内的无序化是离子与晶格间的直接碰撞和扩展缺陷簇共同作用导致。退火处理减小了辐照损伤的产生,总无序度随着退火温度增大而减小。通过对截面样品的红外光谱分析发现离子辐照后在横向光学声子(TO)和纵向光学声子(LO)区域内透射率发生了明显的降低。在838cm-1处观察到纵向光学声子(==1)吸收峰的出现,且吸收峰在不同剂量下出现红移或蓝移现象。碳化硅在辐照剂量为1.35dpa和4dpa时,由于缺陷硬化占据主导作用导致了硬度的增加;在5.25dpa时,化学键断裂对硬度的影响更大,硬度相比于未辐照区域减小;当辐照剂量达到8.05dpa,硬度略高于未辐照区域,此时化学键断裂和缺陷硬化达到平衡。
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