高温下， H+、He2+和Xeq+ 离子对碳化硅复合材料（SiCf/SiC）损伤机理研究

Silicon carbide composites are widely used in the 4th generation fission reactor and the future fusion reactor as candidate structural materials (fuel cladding, the first wall and blankets etc.) due to their many superior properties. In a harsh reactor environment with high temperature and intensive neutron irradiation, the damage mechanism of silicon carbide composites induced by the energetic gas ions（H+、He2+、Xeq+）which are produced in high yields in reactors needs to be clarified. In this work, using energetic gas ions (H+、He2+、Xeq+）extracted from Heavy Ion Research Facilities in Lanzhou (HIRFL), we will investigate the mechanisms of bubble formation and dissociation in silicon carbide composites as well as the mechanisms of microstructure , component change (especially in interface) and mechanical property degradation of silicon carbide composites by means of TEM, SEM, Raman, HRXRD, Nano-indenter and electronic universal testing machine etc. techniques, after silicon carbide composites are irradiated by energetic H+、He2+、Xeq+ ions with different fluences and at different temperatures, respectively. Comparing the damage process of three kinds of gas ions in silicon carbide composites, we will clarify the damage mechanism of silicon carbide composites caused by the behavior of three different kinds of gas ions (H+、He2+、Xeq+) at high temperature, respectively.

SiCf/SiC复合材料以其诸多优异性能，作为燃料包壳、第一壁及包层等候选结构材料，在第四代裂变堆和未来的聚变堆中有广泛的应用前景。在反应堆高温、强中子辐射工况环境中，高产额的载能气体离子（H+、He2+、Xeq+）对SiCf/SiC复合材料的损伤机理有待澄清。本项目拟利用兰州重离子加速器HIRFL提供的高能H+、He2+和Xeq+离子，借助TEM、SEM、Raman、HRXRD、纳米压痕仪、电子万能试验机等分析手段，研究不同温度、剂量下, H+、He2+、Xeq+分别在SiCf/SiC 复合材料中形成气泡及气泡解离的机理, 以及三种气体离子分别引起SiCf/SiC复合材料的微结构和组分变化（尤其纤维/基体界面处）及力学性能劣化的机理。通过对比，澄清高温下三种气体离子（H+、He2+、Xeq+）的行为分别引起SiCf/SiC 复合材料损伤的机理。

由SiC纤维和SiC基体组成的SiCf/SiC 复合材料具有优异的高温力学性能，低的中子吸收截面和低的中子活化性，是反应堆首选的结构材料（第一壁、燃料包壳等）。裂变堆中， 235U裂变成多种载能核素离子。聚变堆中，高能中子通过（n，α）和（n，p）嬗变反应，生成He2+和H+离子。因此，在反应堆的高温环境下，各种离子在SiCf/SiC 复合材料中的损伤机理有待澄清。.本项目借助Raman、FTIR、XRD、SEM、TEM和电子万能试验机等分析手段，研究了气体离子（H+、He2+、Ar16+、Xe23+）和快重离子（Sn27.3+），不同温度和剂量下，引起SiC纤维和SiC单晶的微结构、组分和力学性能的变化及其机理。进而，对比分析探讨了各种离子引起SiCf/SiC 复合材料力学性能劣化过程及机理。.结果发现：1）高温(800°C)，高剂量（5E17 ions/cm2）的气体离子在SiC纤维和晶体中没有形成明显的气泡，这是由于高温下，空位和间隙子的复合加强，没有形成大的空位团簇，且气体原子的迁移加剧，没能聚集成气泡。即，高温抑制了气泡的生成和应力的产生，减轻了辐照引起SiC材料的损伤。2）SiCf/SiC 复合材料的力学性能很大程度上取决于纤维的力学性能。气体离子和快重离子均引起SiC纤维表面粗糙度增加，组分元素偏析。C元素向着损伤较重的区域迁移聚集。C的偏析直接导致SiC纤维力学性能下降，进而，导致SiCf/SiC 复合材料力学性能劣化。3）高温辐照后，SiC纤维中的非晶相SiOC分解、重组，C质粒子和β-SiC晶粒均增大，且C相和SiC相热膨胀系数不同，因此，局部出现大的应力和裂纹，导致纤维的力学性能下降，进而，导致SiCf/SiC 复合材料力学性能劣化。4）由纤维和基体组成的多相态SiCf/SiC 复合材料，随剂量，SiC纤维的体积先减小，后增大；SiC晶体的体积一直增大，但致密的晶体的膨胀幅度大于多相态纤维的膨胀幅度。这导致纤维和基体随剂量逐渐脱粘、分离， SiCf/SiC 复合材料丧失了力学性能。.这些结果暗示，优化纤维制备工艺，适当减少非晶相和C相含量，也许能增强SiC纤维的抗辐照性能，进而增强辐照环境中，SiCf/SiC复合材料的力学性能。