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西工大李曉強團隊—氦泡在SiC/SiC復合材料中形成的新認識：利用透射電鏡原位表征技術和MD模擬研究輻照下氦泡形核、長大的機制

2025-01-06 11:24:43 作者：材料科學和技術來源：材料科學和技術分享至：

第一作者：徐姍姍

通訊作者：李曉強、鄭策

通訊單位：西北工業(yè)大學

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.01.077

01全文速覽

本工作設計了純輻照、純注氦、同時輻照和注氦（150 appm He/dpa）、先注氦后輻照的原位實驗矩陣，并利用原位手段記錄SiC/SiC復合材料的氦泡演變過程，研究了空位和He原子的相對濃度對氦泡演化過程的影響及相應機理。同時，利用分子動力學模擬設置不同氦原子和空位相對濃度的體系，為機理研究提供更多依據(jù)。

02研究背景

連續(xù)SiC纖維增強SiC基復合材料（SiC_f/SiC）因為其優(yōu)異的高溫力學性能、化學惰性、抗輻照性能和中子經(jīng)濟性，在聚變堆的液態(tài)包層具有良好的應用前景，我國CFETR也將SiC_f/SiC復合材料列為候選結構材料。材料在聚變堆內(nèi)服役時，不僅遭受高能中子輻照，而且受到氦等大量嬗變氣體的影響。氦與輻照損傷的協(xié)同作用，一方面可能導致材料發(fā)生脆化，另一方面可能導致構件因氦泡促進的空洞腫脹而出現(xiàn)較大變化。因此，研究氦泡在SiC/SiC復合材料中的演變過程及其影響因素，可以為優(yōu)化材料的設計制備和對其在服役環(huán)境下的準確壽命預測提供支撐。

目前關于SiC_f/SiC復合材料中氦泡的研究主要為氦泡聚集、長大和由此導致的材料宏觀腫脹行為，缺乏空位相對濃度和引入節(jié)點對氦泡演變的影響和機理研究。基于該現(xiàn)狀，西北工業(yè)大學材料學院李曉強教授團隊開展了國產(chǎn)核用CVI SiC_f/SiC復合材料在嬗變氣體和輻照損傷協(xié)同作用下輻照行為的原位研究，相關成果以The synergetic effect of He and Kr irradiation on helium bubble evolution in SiC/SiC composite: Combining in-situ TEM observation with MD simulation為題發(fā)表在Journal of Materials Science & Technology上。

03圖文解析

結果表明，國產(chǎn)SiC纖維內(nèi)始終未形成氦泡，其微結構演變以碳包尺寸變化為主，而CVI SiC基體在較低注氦量下形成TEM可見的氦泡。基體內(nèi)的氦泡密度統(tǒng)計結果如圖 1所示。在純注氦條件下，基體的氦泡密度在1200 appm達到飽和；對預注氦樣品進行輻照后，基體的氦泡密度迅速增大，此后隨著輻照劑量升高而降低；在同時注氦和輻照條件下，基體的氦泡密度持續(xù)增大。由于基體柱狀晶內(nèi)的大量層錯也可以作為He_nV_m團的形核點，SiC基體內(nèi)氦泡同時分布在晶界和晶粒內(nèi)部。而纖維中極高的晶界密度降低了局部He原子濃度，同時纖維發(fā)生晶粒長大消耗局部可用空位，造成纖維難以形成TEM可見的氦泡。

為了揭示不同He原子和空位相對濃度對He_nV_m團的影響，進行了分子動力學模擬，其結果如圖 2所示。結果表明，He_nV_m團的尺寸在引入空位后顯著增大，其中，在先注氦后輻照條件下形成了更多、更大的He_nV_m團。這表明當He原子數(shù)量充足時，引入局部空位的相對濃度越高，He_nV_m團的形核和長大越容易發(fā)生，更可能發(fā)展成TEM可見的氦泡。

圖 1 CVI SiC基體在不同原位實驗后的氦泡密度。在純注氦條件下，氦泡密度在1200 appm達到飽和；對預注氦樣品進行輻照后，氦泡密度迅速增大，此后隨著輻照劑量升高而降低；在同時注氦和輻照條件下，氦泡密度持續(xù)增大。

圖 2 β-SiC內(nèi)He_nV_m在不同輻照方式下的演變結果。引入空位后，He_nV_m團的尺寸增大。在先注氦后輻照條件下形成了更多、更大的He_nV_m團，表明當He原子數(shù)量充足時，引入的空位相對濃度越高，He_nV_m團形核和長大越容易，更可能發(fā)展成TEM可見的氦泡。

針對基體的氦泡密度在先注氦后輻照條件下持續(xù)下降的現(xiàn)象，經(jīng)對個別氦泡的實時跟蹤發(fā)現(xiàn)，預注氦樣品內(nèi)所含氦泡在輻照下出現(xiàn)先長大后收縮的現(xiàn)象，如圖 3所示。氦泡在輻照下收縮的主要原因為碰撞級聯(lián)和熱峰導致氦泡內(nèi)的He原子容易離開氦泡，此時，氦泡蒸發(fā)多余空位并收縮。本工作首次直接觀察到SiC基體內(nèi)氦泡在輻照下的長大和收縮過程，為氦泡形核、長大和收縮全過程進一步提供了實驗支撐。

圖 3 氦泡在輻照下的長大和收縮過程。預注氦樣品內(nèi)所含氦泡在輻照下出現(xiàn)先長大后收縮的現(xiàn)象，其原因為碰撞級聯(lián)和熱峰導致氦泡內(nèi)的He原子容易離開氦泡，造成氦泡蒸發(fā)多余空位并收縮。

04團隊介紹

李曉強教授是國家級領軍人才，領導的團隊長期從事反應堆結構材料優(yōu)化制備、評價考核、服役壽命評估和反應堆安全（重大事故預防緩解）的研究，致力于推動陶瓷基復合材料在先進核能系統(tǒng)中的應用。歡迎具備相關研究背景的博士后和青年人才踴躍加入團隊。

05致謝

本工作受到國家自然科學基金（項目編號：12105226）和國家重點研發(fā)計劃（項目編號：2022YFB3706000）的經(jīng)費支持。

06引用本文

Shanshan Xu, Ce Zheng, Xiaoqiang Li, Ning Gao, Zijing Huang, Jian Zhang, Chong Wei, Cheng Zhang, The synergetic effect of He and Kr irradiation on helium bubble evolution in SiC/SiC composite: Combining in-situ TEM observation with MD simulation, J. Mater. Sci. Technol. 197 (2024) 238-246.