超细颗粒石墨微观结构演化研究

摘要

熔盐反应堆是四代堆之一，具有建立在物理原理上的固有安全性的优点。熔盐堆使用核石墨做慢化剂和支撑结构材料，熔盐会在石墨管道内流通。核石墨在反应堆内始终处于快中子辐照环境，它的碳原子被多次击出格点，这将会导致核石墨各种性能发生变化，比如改变它的尺寸、热导率、电阻率、强度等，进而缩短石墨在堆中的寿命。石墨在强中子辐照环境下产生的缺陷与宏观表现密切相关，比如间隙原子、空位等。如果能够建立石墨辐照缺陷和宏观物理性质，二者间的联系，这将帮助我们理解辐照损伤的机理并预测新的石墨在服役过程中的性能变化。我们知道，对于一种新石墨而言，必须通过辐照测试，才能称为核石墨，辐照性能评估对于核石墨的应用非常重要。但做中子辐照会受到各种因素限制且价格昂贵，相对而言离子辐照实验更容易进行，所以我们用离子辐照代替中子辐照，对新研制的有希望应用到熔盐堆的石墨进行初级评估。
　　因此，本论文将利用129Xe26+离子进行辐照研究，讨论新石墨在不同剂量下辐照产生的微结构变化和力学性能的变化，并尝试建立二者的联系，为新石墨辐照效应的初级评估提供参考。
　　本文主要做了三项研究。
　　1.我们采用了7MeV的129Xe26+辐照沉积在IG-110核石墨基底上的热解炭涂层，并且用成熟的IG-110核石墨作对比，利用扫描电子显微镜(SEM)、场发射透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱(Raman)、X射线衍射技术(XRD)和纳米压痕技术等，对新石墨离子辐照后的性能进行表征。辐照使得新各向异性涂层颗粒边界变模糊，加大辐照剂量甚至发生起皮，129Xe26+轰击破坏了涂层表面的微结构及机械完整性;通过TEM直接观察到了辐照后基层弯曲、位错显著增加;拉曼分析显示，辐照使面内微晶尺寸减小，间隙原子型缺陷增加;较低剂量辐照后涂层的硬度增加，归因于129Xe26+离子辐照所产生晶格缺陷，对基层的钉扎效应。
　　2.采用7MeV129Xe26+辐照用中间相炭微球和等静压方法新研制的NPIG超细颗粒石墨，利用SEM、Raman、XRD、TEM以及纳米压痕等，研究它的微结构和力学性能变化，并讨论力学性能和微结构演化间的联系。在扫描电镜下看到，随辐照剂量的增加，NPIG超细颗粒石墨表面的形貌显示有一个先变平整，之后碎屑化，与IG-110核石墨不同的是，NPIG石墨在峰值剂量5dpa时变成大小不等的分散的球型颗粒分布;拉曼结果指出，随着辐照增加，表面石墨结构经历由微晶到纳米晶，逐渐非晶化的过程。并且相比于IG-110核石墨，超细颗粒石墨NPIG对拉曼测试更敏感。拉曼结果与扫描电镜得到的表面形貌演变结果一致。透射电镜结果指出，辐照后石墨结构基层扭曲、断裂非常严重，这为谱学测试提供了直接证据;硬度和杨氏模量随辐照剂量增大而增大的变化，和缺陷增大的趋势相一致，这时硬度和杨氏模量的增大可能是缺陷的位错钉扎效应导致的，在2.5dpa时，IG-110硬度出现下降，但NPIG石墨机械性能变化没有IG-110显著。
　　3.虽然我们的石墨是由不含粘结剂的中间相炭微球制成，但在TEM图中，还观察到文献中指出的喹啉不溶物形态的存在，这种形态一般出现在粘结剂中，喹啉不溶物的形态非常复杂。辐照后，超细颗粒石墨层状的原子排布，呈现基层断裂、扭曲现象非常严重，这可能是导致石墨性质改变的原因。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 背景

1．1．1 石墨材料的核应用

1．1．2 熔盐堆对核石墨的要求

1．2 选题意义

1．3 本论文的研究内容

第二章 实验准备及主要表征方法

2．1 离子辐照

2．1．1 实验样品

2．1．2 离子辐照实验

2．2 主要表征方法

2．2．1 扫描电子显微镜

2．2．2 透射电子显微镜

2．2．3 X射线衍射

2．2．4 拉曼光谱

2．2．5 纳米压痕技术

第三章 IG-110石墨基底上热解碳涂层的离子辐照损伤效应研究

3．1 引言

3．2 实验过程

3．3 结果与讨论

3．3．1 SEM表征不同剂量辐照后表面微结构变化

3．3．2 TEM图表征内部微结构变化

3．3．3 拉曼分析不同剂量辐照后表面微结构变化

3．3．4 XRD谱图表征内部晶体结构变化

3．3．5 机械性能微硬度的变化

3．4 小结

第四章 NPIG超细颗粒石墨不同剂量的辐照损伤效应研究

4．1 引言

4．2 实验过程

4．3 结果与讨论

4．3．1 SEM表征不同剂量辐照后表面微结构变化

4．3．2 拉曼分析表面微结构

4．3．3 XRD谱图表征不同剂量辐照后内部微结构变化

4．3．4 硬度和模量表征机械性能变化

4．4 小结

第五章 NPIG超细颗粒石墨辐照前后的微结构(TEM)变化研究

5．1 离子辐照前的微结构

5．2 离子辐照后微结构

5．3 小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

在学期间发表的论文

参加的学术会议