Ti3SiC2 MAX相材料的辐照损伤及氦行为研究

摘要

核聚变为人类未来能源提供了一个理想的选择，将成为世界能量供给的主要源泉。但是，聚变能的利用目前仍然面临科学以及技术两方面的挑战。其中，在“燃烧环境下”聚变堆结构材料的性能是最严重的问题之一，早在1946年，费米就指出，核技术成功的关键取决于强辐照下材料的行为。
　　聚变能源装置中结构材料不仅面临高通量的14MeV的高能中子的辐照损伤，同时承受14MeV高能中子与材料原子核发生(n，α)、(n，p)反应生成的大量氢氦以及其他产物的作用。这将对材料的高温力学和热学性能、抗辐照性能以及其它一些物理化学和技术特性提出了最严重挑战。
　　本文针对聚变堆结构材料面临的两个主要问题即粒子辐照效应和嬗变氢氦在结构材料中的行为展开研究。在聚变反应堆中，载能粒子与结构材料的晶格原子发生碰撞产生初级离位原子(PKA)和嬗变核素，而这些初级离位原子和嬗变核素在晶格中又会产生一系列的碰撞从而形成碰撞级联。在碰撞过程中主要是结构材料自身原子之间的碰撞，因此采用自离子辐照研究材料的辐照损伤更加接近真实环境，而且不会引入杂质，避免了掺杂效应。
　　Ti3SiC2 MAX相材料被认为是一种潜在的聚变堆候选结构材料，本文开展了Ti3SiC2 MAX相材料的自离子辐照损伤研究，并进一步开展了氢氦在Ti3SiC2材料中的行为研究。结合离子束分析、同步辐射X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等技术对材料进行了分析研究。
　　对于C离子辐照Ti3SiC2的研究发现，室温下辐照损伤随辐照剂量的增加而增加，然而即使在最高的辐照剂量1.78×1017/cm2下材料仍没有非晶化。相同剂量的C离子辐照下，不同掠角XRD分析表明样品表面损伤较重，这主要是由于辐照产生的缺陷迁移到表面并聚集形成的。当辐照温度高于200℃时，发现分解相TiC几乎探测不到，说明高温辐照下产生的缺陷能够迅速恢复，这和辐照后退火效应不同，辐照后在高温下退火分解相TiC的结晶度变好，说明室温下辐照产生的缺陷几乎不可恢复。当辐照温度为350℃时，材料损伤出现一较小值，这主要是由于辐照过程中缺陷的产生、复合、迁移和聚集共同作用的结果。同时在350℃辐照时，未损伤的Ti3SiC2含量很高，而在850℃辐照时，损伤的Ti3SiC2含量很高，但是晶格损伤程度较小。Raman和IBA分析表明辐照样品近表层含有高浓度C，主要来源于C间隙原子的热扩散以及辐照引起的扩散。SEM分析发现在室温辐照下，材料出现了裂纹，而在高温辐照时并没有发现裂纹，表明Ti3SiC2具有很好的耐高温抗辐照损伤特性。TEM分析发现材料损伤区出现了紊乱现象，并且表面损伤严重，但是并没有非晶化。
　　对于Si离子辐照，探索了不同辐照剂量和不同辐照温度下的损伤情况，结果和C离子辐照有很多相似的现象。然而对室温和高温样品的SEM分析未发现有类似C离子辐照Ti3SiC2产生的裂纹存在，说明Si离子对Ti3SiC2的辐照损伤可能比C离子小。
　　氦是一种闭合电子壳层结构的原子，几乎不溶于任何材料，并且在材料中容易扩散、聚集、沉淀成气泡形成氦脆，从而对材料产生严重的损伤。因此对氦的研究十分必要。氦行为与氦扩散密切相关，本文通过3He(d，p)4He核反应得到了氦在Ti3SiC2中不同温度处的扩散系数，并讨论了He在不同温度下的扩散行为。
　　氦对Ti3SiC2材料的辐照行为研究发现，He离子辐照损伤比自离子严重，这主要是由于He离子辐照Ti3SiC2材料不仅产生了辐照损伤效应而且引入的氦占据材料中的空位，不断扩散、聚集、演化成泡，氦泡和由此产生的缺陷演化对材料也产生了严重的损伤。氢氦协同辐照研究发现，在恒定的氦辐照剂量下，随着氢辐照剂量的增加晶体损伤不断加重，然而当氢辐照剂量增加到一定程度时，晶体的质量反而变好，这主要是由于氢的引入减缓了氦的演化速率，从而减小了氦聚集对材料产生的损伤。SEM分析发现室温下氦辐照和氢氦协同辐照样品表面均出现了裂纹，表明氦的演化在材料内部产生了较大的应力。
　　Ti3SiC2薄膜材料在核反应堆中有着重要的潜在应用，本文对单晶Ti3SiC2薄膜材料的制备也进行了探索。首次成功地在室温下合成Ti3SiC2单晶薄膜生长所需要的单晶层TiC(111)，并通过XRD、Raman和XPS对薄膜进行了分析。然而制备单晶Ti3SiC2薄膜是目前国内外面临的一个重要难题，本文已经制备出Ti3SiC2晶相，但是重复性较差，这项工作还在继续。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 聚变能的战略意义

1．1．2 受控核聚变简介

1．1．3 聚变堆结构材料面临的严峻考验

1．2 材料辐照效应

1．2．1 运动粒子的慢化

1．2．2 辐照损伤基本原理

1．2．3 气体产生损伤的物理原理

1．3 材料中的氦行为

1．3．1 材料中氦原子的捕陷和聚集

1．3．2 氦原子在材料中的迁移

1．3．3 氨泡的形成和长大

1．3．4 氦的引入方法

1．4 MAX相材料Ti3SiC2的介绍

1．4．1 聚变堆结构材料

1．4．2 Ti3SiC2 MAX相材料

1．4．3 MAX相材料Ti3SiC2的研究现状

1．5 本文研究内容与创新点

参考文献

第二章 材料分析方法及原理

2．1 离子束分析方法(IBA)

2．1．1 卢瑟福背散射分析(RBS)

2．2 X射线衍射(XRD)

2．2．1 XRD基本原理

2．2．2 同步辐射XRD

2．3 扫描电子显微镜(SEM)

2．4 透射电子显微镜(TEM)

2．5 拉曼光谱分析(RS)

2．6 X射线光电子谱分析(XPS)

参考文献

第三章 MAX相材料Ti3SiC2自离子辐照损伤

3．1 Ti3SiC2 MAX相材料简介及辐照损伤研究现状

3．2 样品制备

3．3 C离子对Ti3SiC2的辐照损伤及恢复效应

3．3．1 实验参数

3．3．2 同步辐射XRD掠角分析简介

3．3．3 室温下辐照损伤的研究

3．3．4 高温辐照损伤的研究

3．3．5 Rietveld XRD谱拟合和结构精修分析晶体损伤

3．3．6 拉曼谱分析(RS)

3．3．7 扫描电镜分析(SEM)

3．3．8 透射电镜分析(TEM)

3．3．9 C离子辐照心相Ti3SiC2综合讨论

3．4 Si离子对MAX相Ti3SiC2的辐照效应

3．4．1 实验参数

3．4．2 同步辐射掠角XRD分析

3．4．3 拉曼谱和非卢瑟福散射分析

3．4．4 SEM分析

3．5 总结

参考文献

第四章 氢氦在MAX相Ti3SiC2中的行为研究

4．1 氢氦在材料中的行为研究现状

4．1．1 氢氦在金属材料中的行为

4．1．2 氢氦在MAX材料中的行为

4．2 氦在Ti3SiC2材料中扩散行为的研究

4．2．1 实验参数

4．2．2 实验原理

4．2．3 实验数据分析

4．3 氢氦对Ti3SiC2辐照行为的研究

4．3．1 氨离子对Ti3SiC2辐照行为的研究

4．3．2 氢氮协同对Ti3SiC2辐照行为的研究

4．4 总结

参考文献

第五章 Ti3SiC2 MAX相薄膜材料的制备

5．1 磁控溅射技术介绍

5．2 单晶TiC种子层的制备

5．2．1 实验参数

5．2．2 实验结果和讨论

5．3 Ti3SiC2单晶薄膜制备的探索

5．3．1 实验参数

5．3．2 实验结果分析

5．4 总结

参考文献

第六章 总结与展望

致谢

攻读博士学位期间学术论文发表情况