高能Ne10+离子辐照非晶FeSi(Zr)B、NiTa和ZrCuFeAl的损伤研究

摘要

金属玻璃的原子排列是短程有序、长程无序的，这种无序的原子排列方式使其可以容纳辐照损伤。同时，金属玻璃有高强度、抗腐蚀等特点，有希望成为辐照环境的备选材料。聚变反应堆的辐照环境中，存在14MeV的高能中子辐照、等离子体辐照以及热辐照。宇宙空间中有高能带电离子，也是一个高强度的辐照环境。其构件材料需要具有良好的辐照稳定性。高能、高电荷态离子辐照的实验条件（如能量、剂量）可得到准确控制，相比于中子辐照产生损伤的效率更高，适合模拟材料在强辐照环境中的损伤行为。 本文采用高能、高电荷态的Ne10+离子辐照带状金属玻璃Fe80Si7B13、Fe68Zr7B25、Ni62Ta38、块状金属玻璃Zr60Cu25Fe5Al10以及块状金属W，从辐照前后靶材料的微观结构、表面形貌和性能方面分析材料的损伤行为。辐照实验在兰州的中国科学院近代物理研究所的重离子实验装置的中能辐照终端（SFC-T1）进行。Ne10+离子的初始能量是6.17MeV/u。辐照剂量分别是6.5×1014，1.4×1015，2.6×1015和4.6×1015ions/cm2。 经不同剂量的Ne10+离子辐照后，Fe基、Ni基、Zr基金属玻璃仍呈非晶形态。辐照使Fe80Si7B13中的原子排列变得有序。Fe80Si7B13表面1μm范围内产生少量的类空位型缺陷。Fe基、Ni基、Zr基金属玻璃表面产生纳米尺度的凸起和凹坑，表面粗糙度增加，反射率降低。金属玻璃Zr60Cu25Fe5Al10的硬度略有降低。 Ne10+离子辐照使金属W的晶面间距增加。金属W的表面产生纳米尺度的凸起。且辐照使W表面的粗糙度增加，反射率降低。 金属玻璃Fe80Si7B13的原子有序排列的范围大于SRIM计算的Ne10+离子浓度分布范围。与低能、低电荷态离子辐照相比，高能、高电荷态离子辐照在材料中产生的辐照影响区域更宽。这是由Ne10+离子的高动能、高势能沉积、金属玻璃的无序原子排列以及穿过Al箔后的Ne离子能量离散共同导致的。材料表面产生纳米尺度的变化是由Ne10+离子的高密度的势能沉积导致的。 辐照后，Fe基、Ni基、Zr基金属玻璃和金属W的表面只发生了纳米尺度的形貌变化，并没有出现裂纹等明显的损伤。同时，辐照后的Fe基、Ni基、Zr基金属玻璃仍是非晶，W仍是晶体。Fe基、Ni基、Zr基金属玻璃和金属W在本次实验条件下都有比较好的辐照稳定性。

目录

声明

1 绪论

1.1 核能发展与材料问题

1.2 航天发展与材料问题

1.3 高能、高电荷态离子简介及其与材料的相互作用

1.4 金属玻璃的发展及其辐照损伤研究

1.5 本文研究内容

2 实验设备与实验方法

2.1 HIRFL-中能辐照终端

2.2 X射线衍射仪

2.3 扫描电子显微镜

2.4 透射电子显微镜

2.5 原子力显微镜

2.6 纳米压痕仪

2.7 紫外可见近红外分光光度计

2.8 正电子湮灭多普勒展宽能谱

2.9 实验方法

3 SRIM程序模拟

4 Fe基金属玻璃的Ne10+离子辐照损伤研究

4.1 金属玻璃Fe80Si7B13的Ne10+离子辐照损伤研究

4.1.1 金属玻璃Fe80Si7B13的微观结构分析

4.1.2 金属玻璃Fe80Si7B13的表面形貌分析

4.1.3 金属玻璃Fe80Si7B13的性能分析

4.2 金属玻璃Fe68Zr7B25的Ne10+离子辐照损伤研究

4.2.1 金属玻璃Fe68Zr7B25的微观结构分析

4.2.2 金属玻璃Fe68Zr7B25的表面形貌分析

4.3 本章小结

5 Ni基、Zr基金属玻璃和金属W的Ne10+离子辐照损伤研究

5.1 金属玻璃Ni62Ta38的Ne10+离子辐照损伤研究

5.1.1 金属玻璃Ni62Ta38的微观结构分析

5.1.2 金属玻璃Ni62Ta38的表面形貌分析

5.2 金属玻璃Zr60Cu25Fe5Al10的Ne10+离子辐照损伤研究

5.2.1 金属玻璃Zr60Cu25Fe5Al10的微观结构分析

5.2.2 金属玻璃Zr60Cu25Fe5Al10的表面形貌分析

5.2.3 金属玻璃Zr60Cu25Fe5Al10的性能分析

5.3 金属W的Ne10+离子辐照损伤研究

5.3.1 金属W的微观结构分析

5.3.2 金属W的表面形貌分析

5.3.3 金属W的性能分析

5.4 Fe基、Ni基、Zr基金属玻璃和金属W的比较

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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