基于同步辐射原位技术研究辐照致C/C复合材料力学性能退化机制

Moten salt reactor (MSR) has been regarded as one of the most promising candidates for Generation IV Nuclear Energy System because of its unique fuel cycle capabilities and safety characteristics. C/C composites have been regarded as one of the most promising candidates for Advanced Molten Salt Reactor components. The study on irradiation effect of C/C composite is the key issue in the process of molten salt reactor development. However, the effect of irradiation on mechanical strength of C/C composite is not understood clearly, retarding further optimizing its design and development. The mechanical property evolution mechanism has a close relationship with the microstructural changes in C/C composites before and after irradiation. In this project, based on the advanced synchrotron radiation X-ray techniques (μ-CT :X-ray micro computed tomography，SAXS：small angle X-ray scattering and μ-XRD: Micro X-ray diffraction) combined with systematical measurement of irradiation damage behavior of C/C composite , we will in-situ study the evolution of internal stress profile of irradiated C/C composite in different temperature states, and further in-situ analyze the evolution of pore structure, and the crack initiation, crack propagation during the fracture procedure of C/C composite (before and after irradiation) under applied load. This research work will try to establish the relationship during microstructure damage, internal stress profile, and mechanical properties, to reveal the physical essence of the effect of irradiation on the mechanical properties of C/C composite. The project will provide important reference for the design and reliability analysis of Molten Salt Reactor, and will also provide guidance for high performance composite materials research and development.

熔盐堆是第四代裂变核能系统中的重要反应堆堆型之一，C/C复合材料被列为未来最具发展潜力的新型核用材料之一，其辐照效应的研究为重要课题之一。科学界对辐照环境下力学强度变化的微观机制与影响机理都缺少系统而又全面认识，制约熔盐堆用新一代C/C复合材料构件的设计与研发。针对此，本项目拟采用同步辐射μ-XRD、SAXS及μ-CT原位技术，并结合辐照对C/C复合材料微观结构损伤的系统性测试，原位的研究不同温度条件下辐照对C/C复合材料内部应力场的影响，并进一步在外载荷下原位研究辐照前后C/C复合材料中纤维、基体与纤维/基体界面处的孔隙结构、裂纹萌生及其在断裂失效过程中的演化规律，探索辐照对C/C复合材料从微观结构演化、应力场再分布到力学性能改变的关联性，弄清C/C复合材料力学性能受辐照影响的物理本质，为提升熔盐堆用C/C复合材料的辐照力学性能提供设计思路，为新型高性能复合材料的研发奠定基础。

C/C复合材料作为先进熔盐堆用关键构件材料的候选材料，研究C/C复合材料的辐照损伤机制成为先进熔盐堆发展中非常重要课题。本项目基于上海光源先进的同步辐射原位技术，揭示了C/C复合材料辐照后微观结构以及性能的演变过程。为核用C/C复合材料的辐照效应研究提供了实验依据和指导。主要的研究内容和重要结果如下：.（1）通过离子辐照实验设计，综合利用TEM、Raman、SEM、XPS、纳米压痕以及同步辐射掠入射X射线衍射（GIXRD）等技术,系统性的研究了辐照条件下C/C复合材料内部微观结构的响应机制，发现沥青基纤维更耐辐照，同时也发现了C/C复合材料内部不同组织结构（纤维、基体以及纤维/基体界面处的结构）对辐照的敏感性不同，揭示了C/C复合材料内部辐照微观应力产生的根源，这也就从根本上认识了辐照对C/C复合材料力学性能影响的本质问题。.（2）采用同步辐射高温原位实验有效的监测了高温辐照环境下材料内部微观结构的演化过程，发现了辐照之后C/C复合材料内部在不同温度下的结晶情况，同时辐照后在变温环境下C/C复合材料石墨微晶分布也会产生较大的影响并且其织构也被减弱，这就揭示了高温环境下有助于释放C/C复合材料内部的层间应力。.（3）采用在上海光源13W成像线站搭建的原位加载装置，更加直观的观测到了辐照损伤对复合材料力学性能的影响，尤其是直观看到纤维断裂行为的改变，发现辐照确实使得C/C复合材料的纤维硬化并且其力学强度有一定的提升。.本研究项目从辐照后微观结构的变化到内部辐照后产生内部辐照应力场的改变，有效的结合同步辐射先进的原位分析探测技术，对辐照之后力学性能进行有效的监测，进而探讨了辐照对C/C复合材料的从微结构到力学性能方面的关联性。该研究对于揭示C/C复合材料在辐照环境下结构与性能之间关系具有很重要的科学意义，也为研发性能更优的熔盐堆用的C/C复合材料提供了重要的理论基础和参考价值。