离子束辐照导致纳米晶碳化硅结构及力学性质变化的研究

Nanocrystalline SiC may be more resistant to irradiation as compared to monocrystalline or microcrystalline SiC, and could be used as new and important structural components of advanced nuclear energy systems. As a result, the study of irradiation effects on nanocrystalline SiC is attracting growing attention in recent years. Based on our previous investigations on the nanocrystalline SiC irradiated with Au ions, we propose to further investigate the nanocrystalline SiC irradiated with H, C and Kr ions, the average grain size of which is in the range of 2-6 nm. We will concentrate on: ⅰ) the amorphization processes in nanocrystalline SiC under ion irradiation at room temperature; ⅱ) the growth behaviors of nanocrystalline SiC under ion bombardments at a high temperature (900 K); ⅲ) the changes in mechanical properties of the irradiated nanocrystalline SiC, such as elastic modulus and hardness. By investigating the changes in structures and mechical properties of the irradiated nanocrystalline SiC as functions of ion mass and average grain size of the as-grown samples, we will clarify the effects of grain boundary on the amorphization processes in SiC grains, propose a model to describe grain growth of nanocrystalline SiC under ion irradiation at high temperatures, and also explain the mechanisms of the changes in mechanical properties of the irradiated nanocrystalline SiC. The results of the investigations will have significance for nanocrystalline SiC considered for the use of structural components of advanced nuclear reactors.

纳米晶碳化硅（SiC）相比单晶/微米晶SiC可能具有更强的抗辐照能力，有可能作为新的和重要的结构材料被应用在未来的核能系统中，因此近年来关于纳米晶SiC辐照效应的研究开始逐渐引起人们的关注。本项目将在前期Au离子辐照纳米晶SiC研究工作的基础上，继续使用H、C和Kr等质量较轻的离子在室温和高温（900 K）下辐照平均晶粒尺寸为2-6 nm的纳米晶SiC，分别研究：ⅰ）室温离子辐照下纳米晶SiC的非晶化过程；ⅱ）高温离子辐照下纳米晶SiC的晶粒生长行为；ⅲ）离子辐照导致纳米晶SiC模量和硬度等力学参数的变化。通过系统地分析以上材料的结构及力学性质随辐照离子种类和样品原生晶粒尺寸的变化关系，澄清晶粒边界对SiC晶粒非晶化过程的影响，建立高温离子辐照下SiC晶粒的生长模型，并探讨材料的力学性质随离子辐照变化的机理。研究结果将为纳米晶SiC材料在反应堆中的应用提供重要的实验和理论依据。

碳化硅（SiC）是先进核能系统中重要的候选结构材料和燃料包壳材料。提高材料的抗辐照能力对于它们的核应用至关重要。相比单晶SiC (sc-SiC)，晶粒尺寸小于100 nm的纳米晶SiC（nc-SiC）由于高密度晶粒边界的作用可能具有明显增强的抗辐照能力。为了探究nc-SiC的辐照损伤效应，本项目使用H、He、C、Kr和Xe等离子在室温和高温（500-1173 K）下辐照了平均晶粒尺寸为2-20 nm的nc-SiC样品。辐照后，使用Raman光谱、X射线衍射、透射电子显微镜和纳米压痕等技术以及分子动力学模拟的方法对样品的结构与力学性质进行了研究。室温离子的辐照研究结果表明nc-SiC的抗辐照能力随着晶粒尺寸的增大而增强，SiC的晶粒边界对辐照产生的点缺陷没有明显的吸收和湮灭作用。然而，在SiC晶粒的内部引入高密度的堆垛层错可以有效增强辐照缺陷的恢复，明显提高材料的抗辐照能力。当使用H离子进行辐照时，注入H离子会捕获可移动的点缺陷，从而减弱由引入堆垛层错而带来的材料抗辐照能力的增强效应。高温离子辐照的研究结果表明离子辐照导致nc-SiC的晶粒生长速率随着晶粒尺寸的增大而降低。当晶粒尺寸超过一定阈值（12 nm）时，SiC晶粒随着离子辐照发生了收缩而非生长。具有柱状晶粒结构的nc-SiC在高温离子辐照作用下表现出良好的结构稳定性。在900 K温度以下离子辐照导致SiC的晶化过程与辐照温度无关，晶粒的成核与生长速率主要取决于辐照离子的种类、能量和束流强度。最后，材料力学性质的研究发现nc-SiC的硬度随着晶粒尺寸的增加而增大，呈现出反霍尔-佩奇关系。包含有高密度堆垛层错的柱状SiC晶粒具有超强的硬度（52.7 GPa）。高温离子辐照导致nc-SiC晶体质量的下降，从而降低了材料硬度。本项目的研究成果将为nc-SiC材料在先进核反应堆中的应用提供重要的研究基础，对于离子束加工技术在新型nc-SiC基光伏器件中的应用也具有重要的参考价值。