多离子束辐照单晶碳化硅（SiC）协同效应及损伤机制的研究

Studying the interactions and possible synergistic effects of neutrons, fission products as well as transmutation products like H, He is greatly desirable. And it is critical to understand the damage mechanism of materials used in complex conditions. A comprehensive understanding of radiation damage and micro-structure evolutions, especially the related physical mechanisms, is a critical issue for materials facing extreme harsh environment like high temperature, high fluence neutron irradiation. Silicon carbide (SiC) has excellent physicochemical properties which can be used in structural materials in reactors and used as storage candidate material for nuclear waste. Importantly, SiC is suitable for the study of radiation damage mechanism due to its simple system. We will use heavy ions (Si, C) and H、He ions to irradiate single crystalline SiC to study the multi-ion synergistic effects, such as effects on mechanical and optical properties, with combined advanced techniques. The interactions between displacement damage and H, He and the related mechanisms are the emphases for this research. We will also build the physical model for the evaluation of materials under high temperature, harsh radiation environment using multi-ion beam irradiations. Our results are very helpful for the design and preparation of new radiation damage resistant materials.

用多离子束辐照来研究复杂条件下中子、裂变产物等产生的移位损伤与氢、氦嬗变元素的相互作用对于认识反应堆等环境下的辐照损伤十分关键。对于面临极端条件如高温、强辐射的核能材料来说，全面了解辐射损伤和材料结构演化规律及物理机制是一项重要课题，而目前仍然对其缺乏成熟理解。碳化硅（Silicon Carbide, SiC）因其优异的物理化学性质而被视为反应堆支撑部件及贮存反应堆废料的一种重要核材料。同时，碳化硅体系简单，适宜用来研究辐照损伤物理机制。本研究拟采用重离子（硅、碳）和氢、氦辐照单晶碳化硅，利用多种实验手段研究多离子束辐照（双束、三束）对碳化硅的辐照损伤协同效应，包括对力学、光学性能的影响等，研究移位损伤与氢、氦协同作用物理过程及作用机制。建立利用多离子束共辐照方法评估材料在高温、强辐射条件下的物理模型。为新型抗辐照损伤材料设计和制备提供参考。

多离子束辐照是研究复杂条件下中子、裂变产物等产生的移位损伤与氢、氦嬗变元素的相互作用规律和机制的重要手段。对于面临极端条件如高温、强辐射的核能材料来说，全面了解辐射损伤和材料结构演化规律及物理机制是一项重要课题，而目前仍然对其缺乏成熟理解。碳化硅（Silicon Carbide, SiC）具有优异的物理化学性质，被视为反应堆支撑部件及贮存核废料的一种重要核材料。此外，SiC还是研究反应堆等环境下的辐照损伤机制的模式材料。本项目以研究移位损伤与氢、氦协同作用物理过程及作用机制为目的，尝试建立利用多离子束共辐照方法评估材料在高温、强辐射条件下的物理模型，为新型抗辐照损伤材料设计和制备提供参考。结果发现：重离子辐照产生的移位损伤与氢或氦结合都会增加对SiC的辐照损伤。这是由于H、He都非常容易与移位损伤缺陷结合形成更复杂的稳定缺陷团簇。当H、He浓度比较大时，很容易在空位团簇位置形成H泡、He泡。在高温辐照时，虽然会因为温度效应发生损伤修复，但双束辐照产生的损伤仍然更大。改变Au和He辐照先后顺序发现，先Au后He辐照产生损伤比先He后Au要大，这是Au在高温下辐照产生退火效应的结果。先Au后He的损伤深度比先He后Au要浅，这是He被预辐照Au产生缺陷吸附所致。Si+H和H+Si双束实验也表明，产生H的顺序不同对SiC的损伤程度和应变大小影响不同。H+Si产生的应变值更大，这是由于其缺陷分布与Si+H不同。先注入H离子使得损伤层相对较深。SiC中多束离子辐照效应与晶格损伤和H、He的相互作用密切相关，需要同时考虑离子种类、剂量、能量、辐照顺序和温度。在SiC中，H、He极易与移位损伤缺陷结合，阻止弗伦克尔缺陷对修复。这可能会对SiC结构材料造成不利影响，影响其在反应堆中的服役表现。