基于纳微尺度材料内耗测量技术研究单根碳化硅纤维辐照诱导力学性能演化机制

SiC/SiC composites, which were synthesized by infiltrating SiC matrix into the SiC-fiber-woven framework, are important candidate materials for serving as reactor blankets, fuel cladding, flow channel inserts or structural materials in the future advanced nuclear reactors. Since high strength and toughness of SiC fibers are very important for SiC/SiC composites, degradation of mechanical properties of fibers under irradiation conditions would directly lead to failure application of SiC/SiC composites. With the consideration of lack of sensitive instruments to study the kinetics and mechanism of formation of radiation-induced defects in SiC fibers, therefore in this project, self-developed nano-micrometer materials internal friction measurement technology is employed to investigate the evolution of internal friction and elastic modulus of single SiC fiber under different irradiation conditions and temperatures, and obtain the kinetic parameters of defects formation and evolution processes. With the help of other micro-structural analysis methods, the quantitative relationships between defect states and irradiation conditions or mechanical properties would be constructed, and the intrinsic physical mechanism between irradiation conditions and mechanical properties of SiC fibers would be established, which could provide a scientific basis for construction of physical model to predict SiC/SiC composites performance in the future nuclear reactor environment.

以碳化硅（SiC）纤维为支架渗入SiC本体制成的SiC/SiC复合材料是未来先进核反应堆中包层、结构件以及流道插入件等的重要候选材料，其中SiC纤维起到了增强增韧的重要作用，辐照条件下SiC纤维力学性能的退化将直接导致SiC/SiC复合材料的失效。针对目前缺乏敏感手段来研究单根SiC纤维辐照缺陷形成的动力学过程和机制的问题，本项目采用自主发展的纳微尺度材料内耗测量技术考察不同辐照条件和温度下单根SiC纤维的内耗与弹性模量演化过程，获得材料缺陷形成和演化的动力学参数，并结合其他微结构分析手段，得到缺陷状态与辐照条件及力学性能之间的定量关系，建立辐照条件与SiC纤维力学性能之间的内在物理机制，为在未来核反应堆环境下SiC/SiC复合材料性能演化物理模型的构建及性能预测提供科学依据。

第四代核电技术的快速发展迫切需要新的材料来满足更为苛刻的技术要求。碳化硅纤维以其优异的耐腐蚀、抗氧化、高温稳定和抗辐照性能，被认为是应用于未来核能方面最理想的材料之一。本项目在室温真空条件下利用10 MeV Si2+离子对SiC纤维样品进行了剂量为6.7×1014、1.34×1015、2.68×1016 ions/cm2的双面辐照实验，并考察了辐照对材料形貌、微观结构及力学性能的影响机制。SEM结果发现，当Si2+离子辐照剂量为6.7×1014时，SiC纤维表面和断面没有明显变化，当离子辐照剂量继续增大到1.34×1015ions/cm2时，SiC纤维表面出现粗化，但SiC纤维内部变化不明显，当离子辐照继续增加至2.68×1016ions /cm2时，SiC纤维表面产生由于膨胀而引起的“海岛状”凸起以及 “黑区”，同时内部也出现明显不完整的分区。这表明辐照剂量越大，SiC纤维微结构和形貌损伤越明显。同时，辐照样品的拉曼图谱在不同辐照剂量下也有明显的变化。当辐照损伤达到0.03 dpa时，SiC纤维中的石墨有序结构已经被破坏，无定形SiCxOy相减少。此外，β-SiC振动峰的峰位置向低波数方向移动，表明SiC纤维中的β-SiC相也已经出现损伤，并向无序化转变。当辐照剂量为6.7×1014 ions/cm2和1.34×1015 ions/cm2时，辐照后SiC纤维的弹性模量值均比原始纤维的弹性模量有所提高，且弹性模量随着辐照剂量的增加而增大。而当辐照剂量为2.68×1016 ions/cm2时，纤维的弹性模量明显下降。当辐照剂量较小时，SiC纤维弹性模量的增加与无定形SiCxOy相的减少或自由碳的结构变化有关。而当辐照剂量增大到2.68×1016 ions/cm2时，离子辐照诱导SiC纤维非晶化是影响纤维弹性模量的主要因素，最终导致SiC纤维的模量又出现下降。综合以上可以发现，辐照剂量变大时SiCxOy相的减小和非晶化改变了其微观结构，降低了力学性能，是需要进一步研究的重点。