纳米碳结构抑制碳化硅辐照肿胀行为的机理研究

SiC is an ideal candidate for future nuclear energy system to meet higher reliability and safety requirements, in which radiation swelling is a major factor limiting its long-term uses. Based on the existing radiation mechanism of single-crystal SiC, this proposal uses polymer-derived ceramic technique to construct a C-enriched SiC microstructure. The effects of nano-SiC, C nano-structure and heterogeneous interfaces on radiation swelling behaviors under different ion irradiations will be investigated to optimize the structure for SiC-based advanced radiation-resistance material. This proposal aims to solve the key scientific problem of radiation mechanism of C enriched SiC with heterogeneous interfaces and clarify the mechanism of “interface-driven-shrinking” behavior. It is innovative in radiation theoretical research of SiC containing heterogeneous interfaces and optimization the radiation-resistance properties for SiC materials. The research results would be very helpful to the establishment of multi-scale model for SiCf/SiC and the development of irradiation-resistance materials for advanced reactor systems.

SiC是满足未来核能系统对更高可靠性和安全性需求的理想候选材料，但辐照肿胀是限制其长寿命应用的关键问题。本项目在现有单晶SiC辐照机理基础上，采用聚合物转化陶瓷工艺构建C富集SiC微观结构，研究纳米SiC、纳米C和异质界面结构对离子辐照下辐照肿胀行为的影响，进而实现C富集SiC先进抗辐照材料的结构优化与设计。本项目拟解决含异质界面C富集SiC的辐照机理研究这一关键科学问题，明确“界面驱动收缩”行为的发生机制，在异质界面辐照理论研究和抗辐照SiC材料优化方面具有创新性。本项目的研究成果将为SiCf/SiC多尺度模型建立和先进反应堆抗辐照材料研制奠定基础。

SiC是满足未来核能系统对更高可靠性和安全性需求的理想候选材料，但辐照肿胀是限制其长寿命应用的关键问题。本项目在现有单晶SiC辐照机理基础上，采用聚合物转化陶瓷工艺构建C富集SiC微观结构，研究纳米SiC、纳米C和异质界面结构对离子辐照下辐照肿胀行为的影响，进而实现C富集SiC先进抗辐照材料的结构优化与设计。本项目的主要研究内容包括：(1)聚合物转化 C 富集 SiC 陶瓷的微观结构调控，（2）离子辐照下聚合物转化C富集SiC陶瓷的辐照肿胀机理研究和（3）C富集SiC先进抗辐照材料的结构优化与设计。重要结果、关键数据及其科学意义分数如下：（1）实现了C富集SiC中碳纳米结构的调控和优选。利用in-situ TEM技术，发现增强体材料为10 nm的NDs和CNOs比MWCNTs具有更好的辐照稳定性，空腔存在可以改变多维缺陷的移动方向，辐照过程易发生sp3向sp2转化。（2）完成了多种聚合物转化 C 富集 SiC 陶瓷的辐照肿胀机理研究及优化。通过优化使低气孔率PDC-SiC制备工艺进一步成熟，C富集SiC抗辐照性能特别是“界面驱动收缩”的发生机理进一步深化，使C/SiC异质界面设计在C结构电子杂化结构、碳簇尺寸、石墨化程度以及SiC晶粒的影响规律上进一步明确。（3）初步确定了C/Si调控对界面结构的影响。通过液相法调节PCS与PVB比例，实现界面从纯净界面到富碳界面的结构调控。本项目的科学意义在于，寻找提高抗辐照性能的新途径，为SiCf/SiC多尺度模型建立和先进反应堆抗辐照材料研制奠定基础。