納米晶複合陶瓷材料抗輻照損傷機理研究

《納米晶複合陶瓷材料抗輻照損傷機理研究》是依託武漢大學，由楊兵擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：納米晶複合陶瓷材料抗輻照損傷機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊兵
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

納米晶複合陶瓷材料輻照損傷是近年來國內外離子與固體相互作用研究的前沿，但目前對納米晶陶瓷材料優越抗輻照性能的機理缺乏深入的研究。本項目採用電弧離子鍍技術製備TiSiN納米晶複合陶瓷材料。採用加速器和注入機進行不同離子種類、注入劑量和注入能量的離子輻照損傷試驗。採用掠入射X射線衍射研究輻照前後材料相結構的變化；採用高分辨透射電鏡系統研究納米晶材料輻照後缺陷形貌、原子擴散以及晶界和晶內的高分辨原子相;採用RBS技術系統研究輻照參數對其成分的影響。在此基礎上利用加速器-電鏡在線上裝置原位觀測納米晶複合陶瓷材料在輻照條件下缺陷萌生、晶粒生長以及晶界遷移等非平衡過程,從納米尺度上揭示輻照過程對材料微觀結構影響的精細過程。結合理論分析，深入探索納米晶複合材料抗輻照性能影響因素的微觀機制和相關物理規律，為新型抗輻照納米晶複合陶瓷材料的開發提供科學依據。

結題摘要

納米晶複合陶瓷材料輻照損傷是近年來國內外離子與固體相互作用研究的前沿，但目前對納米晶陶瓷材料優越抗輻照性能的機理缺乏深入的研究。本項目採用電弧離子鍍技術製備TiSiN納米晶複合陶瓷材料。採用氦離子進行離子輻照損傷試驗。採用X射線衍射研究輻照前後材料相結構的變化；採用高分辨透射電鏡系統研究納米晶材料輻照後缺陷形貌、原子擴散以及晶界和晶內的高分辨原子相；結合界面自由能理論分析，深入探索納米晶複合材料抗輻照性能影響因素的微觀機制和相關物理規律。經過近4年的研究，本項目基本按計畫書要求完成了各項研究工作。研究結果表明：利用TiSi合金靶材，採用電弧離子鍍技術在純氮氣中，可以成功製備高硬度納米晶複合TiSiN塗層；氮氣氣壓升高會影響到塗層化學成分和結構，並且塗層晶體生長從（111）晶面轉為（200）晶面。塗層晶粒尺寸減小，塗層硬度升高；當氮氣壓增加到2.5Pa之後，合金靶材表面出現中毒現象；隨著靶材Si含量升高，TiSiN納米晶塗層中Si含量隨之升高，塗層中TiN晶體由（111）晶面逐漸轉向（200）晶面，塗層晶粒尺寸由18.9nm逐漸減小到5.6nm；硬度值矽含量增加而增大，在靶材Si含量為20 at.%時獲得最大硬度40.7GPa；在二維TiSiN納米晶塗層材料合成的基礎上，本項目還創新性採用SPS技術製備了高硬度的三維TiSiN塊體材料，揭示了其晶粒尺寸、硬度與非晶層厚度的相互影響關係。並提出了非晶Si3N4對TiN晶粒融合長大阻擋機制。系統的離子輻照實驗表明TiSiN納米晶陶瓷塗層具有優越的抗輻照性能。經對微結構和性能的觀測，獲得了TiSiN塗層材料優異抗輻照性能的內在影響機制，建立了納米晶粒尺寸和抗輻照性能之間的相互關係。驗證了材料內部界面（晶界、層界）在輻照環境下促進缺陷（間隙與空位）融合的作用機理，晶粒細化增加的晶界通過促進缺陷融合來降低輻照增加的自由能，但會導致體系自由能的增加。此外還分析了晶粒細化對於抗輻照性能帶來的有利和不利影響，獲取了最優的抗輻照晶粒尺度。所獲抗輻照機理研究結果對於新型納米晶抗輻照材料的開發具有重要的指導意義和科學價值。