高熵过渡金属碳化物陶瓷的中子辐照损伤研究

The development of novel ceramics with high melting points, high mechanical strength and excellent radiation resistance is one of the key techniques in future nuclear systems. High-entropy transition metal carbides are newly developed ceramics with even higher mechanical and oxidation resistance compared with traditional binary transition metal carbides. More importantly, due to the high lattice distortion and disorder degree, high-entropy transition metal carbides should exhibit superior irradiation resistance theoretically. In this project, a series of high-entropy transition metal carbides will be fabricated and the evolution of phases, microstructure and the physical properties will be studied systematically after both ion and neutron irradiations. The underlying mechanisms of the damage caused by irradiation will be clarified. 1~2 types of high-entropy transition metal carbides with excellent thermal stability, irradiation resistance, high-temperature mechanical properties, oxidation and corrosion resistance will be chosen as promising materials for future high-temperature nuclear applications.

研制具有高熔点、高强度、耐腐蚀、抗辐照、长寿命的新型陶瓷材料已成为未来核能系统开发的关键技术之一。过渡金属碳化物高熵陶瓷是一种新型的陶瓷体系，相比于传统二元碳化物陶瓷具有更加优异的力学性能、耐腐蚀以及抗氧化性能。更重要的是高熵陶瓷在晶体结构上具有强的晶格畸变与高的原子排布无序度，因此，过渡金属碳化物高熵陶瓷在理论上应具有更加优异的抗辐照损伤性能。本课题通过制备具有不同组元种类和数目以及不同微观结构的高熵碳化物陶瓷，系统研究其在不同辐照条件下相结构、微观组织以及综合物理性能的演化规律，揭示高熵碳化物陶瓷的辐照损伤机理，筛选出1~2类具有超高结构稳定性、优异抗辐照性能、高温力学性能以及抗氧化、腐蚀性能的高熵碳化物陶瓷体系，为未来核能系统的发展提供高性能的陶瓷型候选材料。

研制具有高熔点、高强度、耐腐蚀、抗辐照、长寿命的新型陶瓷材料已成为未来核能系统开发的关键技术之一。过渡金属碳化物高熵陶瓷是一种新型的陶瓷体系，具有优异的力学性能、耐腐蚀以及抗氧化性能。更重要的是高熵陶瓷在晶体结构上具有强的晶格畸变与高的原子排布无序度，因此，具有更加优异的抗辐照损伤性能。.本项目利用放电等离子体烧结制备了从一元至五元连续变化的多组元过渡金属碳化物固溶体，所制备的碳化物固溶体具有单相面心立方结构，致密度均达到98%以上，所有金属元素实现了均匀的固溶。对所有碳化物固溶体进行了系统的性能分析，包括力学性能、热学性能以及抗氧化性能。研究发现，碳化物固溶体的力学性能（主要是力学强度）在微观结构相似的前提下随着熵的增加呈现出升高的趋势。但力学强度对微观结构的依赖关系不亚于其对熵的依赖。熵对提升碳化物的抗氧化性能具有十分显著的效果。五元高熵碳化物在1200°C下的抗氧化性能比单相ZrC提升了一个数量级。五元高熵碳化物在更高的烧结温度下氧化会形成高熵氧化物层，高熵氧化物的形成会阻碍氧通过氧化层的扩散，进而显著提升了其在高温下的抗氧化性能。此外，通过组分筛选获得了具有异常高抗氧化性的二元(Ti,Nb)C组分。进一步通过成分优化获得了(Ti0.8Nb0.2)C组分，其抗氧化性与五元高熵碳化物在1300°C以下相当。.利用Si离子对五元高熵(Ti0.2Zr0.2Nb0.2Ta0.2Hf0.2)C与(Ti0.8Nb0.2)C进行辐照，辐照剂量分别选择50 dpa与80 dpa。辐照后发现两个组分未出现分解或相变，抗辐照性能优异。 研究了注量为 1013 n/cm2的中子辐照对(Zr0.2Ti0.2Nb0.2Ta0.2Hf0.2)C的损伤。衍射花样显示辐照后(Zr0.2Ti0.2Nb0.2Ta0.2Hf0.2)C晶体结构完整，未出现非晶化。辐照后产生位错环，在双束条件下的明场像依然可以观察到密度较高的位错环，其平均尺寸为50nm。.以上结果对于碳化物陶瓷在未来核能系统中的应用具有重要的指导意义。