论文部分内容阅读
本论文分别开展了二大类材料:非晶二氧化硅及氧化锆陶瓷材料，MAX相金属陶瓷材料(Ti3AlC2)的离子辐照损伤机理研究。重点讨论了(1)离子辐照对材料微观结构的影响及缺陷行为;(2)氦泡的形成与演化;(3)离子种类及能损方式与损伤的关联。 非晶二氧化硅的辐照损伤研究工作主要围绕两种不同的缺陷，即本征点缺陷和小环结构缺陷。实验发现本征点缺陷的形成主要受核能损的影响，并且由于在弹性碰撞中引起的硅原子移位，形成了大量的非桥氧中心和二价硅缺陷。根据小环结构缺陷浓度与本征点缺陷浓度相似的变化规律，得出了两种可能的缺陷之间相互转化的机制。 氧化锆材料的辐照损伤工作主要研究了注入氦离子在单晶氧化锆、多晶氧化锆和纳米晶多孔氧化锆中的行为。实验中，通过对氦泡形成和演化的观察发现，室温下氦泡的形成和演化机制与晶粒取向无关。在单晶氧化锆和多晶氧化锆中，氦泡形成的阈值剂量都为2×1017 cm-2，氦泡形貌主要为半径1nm左右的球状和平行于样品表面的丝带状。球状氦泡的形成主要受表面自由能的影响，而丝带状氦泡的形成则主要受应力的影响。在多晶氧化锆中，氦泡会优先在晶界处形成并且沿着晶界迁移，说明晶界对氦原子的吸收效应和氦原子在晶界中迁移的活化能较小。而在具有连通多孔结构的纳米晶氧化锆中，由于沉积在材料中的氦原子能够迅速沿着连通的孔道迁移出样品表面，使得氦原子不能有效的在材料内部聚集。因此具有连通多孔结构的纳米晶氧化锆呈现出非常好的抑制氦泡聚集和生长的性能。此外，由于氧化锆在室温辐照下不可非晶化，并且辐照产生的结构损伤能够很好的用多步损伤累积模型去描述，因此在本论文中氧化锆还被当作一种模型材料来研究不同离子辐照过程中结构损伤演化的差异。对比发现，辐照所用的离子质量越小，其损伤效率越高，即在相同的dpa下，轻离子辐照引起的应力和结构损伤更大。 金属陶瓷材料Ti3AlC2的辐照损伤工作主要研究了氦离子辐照引起的结构转变。通过电子衍射模拟和高分辨相的模拟发现，在2.61 dpa下，α相的Ti3AlC2转变为β相，并且伴随着反位缺陷的形成和碳原子的重排。随着剂量的增大，在基平面上有大量层错产生，并进一步导致一些具有不同堆垛顺序的纳米晶的形成。当剂量进一步增加到31 dpa时，氦泡的析出和位错环的堆积使得Ti3AlC2出现了多晶化的趋势。通过对辐照引起的Ti3AlC2的结构转变进行分析并结合其它一些复杂氧化物的抗辐照损伤机制，我们提出了具有不同化学成份的金属陶瓷材料抗辐照性能的变化规律。