单晶立方碳化硅辐照肿胀与非晶化的分子动力学模拟研究

碳化硅(SiC)材料在核能材料和半导体器件等领域有广泛的潜在应用,其辐照效应一直备受关注.结合动态恒温墙技术和恒温恒压热浴算法,本工作基于经典分子动力学模拟方法构建了单晶立方碳化硅(3C?SiC)的连续辐照模型,并研究了室温下连续几千次碰撞级联引起的SiC晶体损伤(对应的辐照剂量高达1 dpa),首次从微观上呈现了SiC从无缺陷到损伤饱和(彻底非晶化、肿胀达到极值)的完整过程.模拟发现持续辐照使得SiC密度明显降低,并储存了大量能量,其数值与文献中的实验结果比较接近.SiC非晶化过程可分为缓慢增长、快速增长、缓慢增长、完全非晶四个阶段,完全非晶的辐照剂量约为0.4 dpa,与文献中的第一性原理结果和实验结果非常接近.模拟得到的SiC肿胀与辐照剂量的关系,在0.1 dpa以下与实验结果比较接近,在0.1 dpa以上则明显偏高,这可能源自模拟与实验在剂量率上的巨大差异.这些结果表明,本文构建的计算模型比较合理,未来可用于对SiC辐照损伤微观机理的进一步研究.     

多种重离子辐照对硼硅酸盐玻璃机械性能的影响

研究辐照导致硼硅酸盐玻璃机械性能的影响, 对高放废物的长期安全处置具有重要的意义。本工作采用0.3 MeV的P离子、4 MeV的Kr离子、5 MeV的Xe离子以及8 MeV的Au离子分别辐照硼硅酸盐玻璃, 利用纳米压痕技术表征了辐照前后样品的硬度和模量。结果表明: 硼硅酸盐玻璃的硬度和模量在一定范围内会随着辐照剂量的增大而减小, 辐照达到0.1 dpa时硬度和模量变化趋于饱和, 此时硬度下降了35%, 模量下降了18%; 而且不同种类的离子辐照对硼硅酸盐玻璃的硬度和模量造成的变化趋势基本相同。使用掠入射X射线衍射仪对样品晶态结构进行了分析, 发现辐照后硼硅酸盐玻璃仍保持非晶状态。利用Raman光谱对辐照后样品的微观结构的变化进行了表征, 发现辐照会导致玻璃网络结构发生改变, 玻璃的聚合度下降, 无序度增加。本工作还证明了离子辐照导致玻璃机械性能变化的主要因素是离子在样品中的核能量沉积导致玻璃结构的改变。     

氦离子辐照铝合金的SRIM模拟及微观结构研究北大核心CSCD

通过SRIM软件对入射He^+离子在1060铝合金中的射程及分布进行了模拟,利用扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)和透射电子显微镜(Transmission electron microscopy,TEM)对离子辐照在合金中所诱发的表面形貌、微观结构及其形成机制进行了研究。结果表明,He^+离子辐照会导致试样表面出现辐照坑状结构,提高辐照剂量会增加辐照坑的尺寸。辐照合金中会出现杂质元素的区域富集现象,其中Si元素的富集尤为明显,在较高剂量辐照合金中这一现象越显著。此外,辐照还会导致合金中形成位错、位错环、气泡等微观结构及相应的演化结构。由于表面和这些微观结构在原子扩散的过程中可以作为缺陷阱捕获尺寸较小的杂质原子,因而这也是He^+离子辐照铝合金中出现Si元素富集的主要机制。     

氦离子辐照铝合金的SRIM模拟及微观结构研究

通过SRIM软件对入射He~+离子在1060铝合金中的射程及分布进行了模拟,利用扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,SEM)和透射电子显微镜(Transmission electron microscopy,TEM)对离子辐照在合金中所诱发的表面形貌、微观结构及其形成机制进行了研究。结果表明,He~+离子辐照会导致试样表面出现辐照坑状结构,提高辐照剂量会增加辐照坑的尺寸。辐照合金中会出现杂质元素的区域富集现象,其中Si元素的富集尤为明显,在较高剂量辐照合金中这一现象越显著。此外,辐照还会导致合金中形成位错、位错环、气泡等微观结构及相应的演化结构。由于表面和这些微观结构在原子扩散的过程中可以作为缺陷阱捕获尺寸较小的杂质原子,因而这也是He~+离子辐照铝合金中出现Si元素富集的主要机制。     

固相增密燃料元件基体石墨的氩离子辐照性能研究

为提高熔盐堆燃料元件基体石墨的致密性,采用准等静压工艺,对球形燃料元件A3-3基体石墨进行中间相炭微球(MCMB)固相增密,并对其进行了氩离子辐照性能研究。通过压汞测试研究了增密后基体石墨的进汞临界压强和平均孔径变化;利用氩离子辐照实验并结合纳米压痕技术和拉曼光谱分析,研究了固相增密前后基体石墨的离子辐照效应。结果表明,采用平均粒径为2、10和16μm的MCMB对基体石墨A3-3增密后,基体石墨孔径由924 nm分别降至530、573和644 nm,MCMB以其自烧结同步收缩的特性,起到了填充孔隙和裂缝的作用,实现了对基体石墨的固相增密。MCMB增密剂粒径越接近基体石墨的孔径,增密后基体石墨的平均孔径越小,进汞临界压强越高,即增密效果越好。样品纳米压痕的测试表明高剂量离子辐照下(1 dpa),MDG2-15(粒径2μm,质量百分数为15%的MCMB增密基体石墨)石墨比A3-3石墨的离子辐照硬化速率慢。拉曼光谱结果显示增密前后基体石墨在1.47 dpa剂量下,均发生非晶化,致密化调控前后基体石墨的离子辐照效应表现出一致性。     

α粒子和Kr~+离子对钙钛锆石辐照损伤的Monte Carlo模拟

为研究高能粒子辐照条件下钙钛锆石的微观损伤机制,利用蒙特卡罗SRIM软件包模拟α粒子和Kr~+离子在100~3 000keV入射能量范围内,钙钛锆石的阻止本领、能量损失、平均投影射程、空位分布和临界非晶注入剂量dpa值。结果表明,当不同能量的α粒子轰击时,入射离子射程为437~6 960nm,形成的空位总数为12~20个,钙钛锆石以电子阻止本领为主,能量主要以电离能损的方式损耗;当不同能量的Kr~+离子轰击时,入射离子射程为39~1 130nm,形成空位总数为138~1 097个,随着入射粒子能量的增加核阻止本领逐渐减小,电子阻止本领逐渐增加,能量主要以入射离子电离能损、反冲离子电离能损和反冲离子声子能损的方式损耗;在临界非晶注入剂量下,1 000keV的Kr~+离子所产生的峰值dpa深度小,1 500keV的Kr~+离子所产生的峰值dpa深度大。     

重离子辐照诱发TiNiCu合金非晶化的原位电子显微研究

在美国Argonne国家实验室连接有IVEM-Tandem National Facility加速器的Hitatch3000电子显微镜上，通过400KeV Xe^ 离子就位辐射研究了TiNiCu形状记忆合金的常温晶态-非晶态转变。入射的Xe离子通过级联碰撞，从0.05dpa开始辐照诱发TiNiCu合金化学无序，非晶化过程和化学无序几乎同时进行；0.2dpa后，马氏体变体的衬度明显减小，变得非常模糊；在0.4dpa非晶化转变完成，马氏体变体的衬度完全消失。     

离子辐照对316L不锈钢焊缝晶体结构与力学性能的影响

目的 研究不同剂量离子辐照对不锈钢焊缝金属微观组织结构及力学性能的影响机理和影响规律.方法 通过添加3种剂量的氦离子和氘离子对316L不锈钢TIG焊焊缝金属进行辐照,分别使用XRD、纳米压痕与SEM来分析研究离子辐照对316L不锈钢焊缝金属的晶体结构、力学性能以及表面微观形貌的影响.结果 离子辐照后,焊缝金属XRD衍射峰向高角度发生偏移;随辐照剂量的增加,焊缝金属显微硬度增加,显微硬度增加值随辐照剂量的增加逐渐趋于饱和;离子辐照使焊缝金属表面产生大量辐照孔洞,随着辐照剂量的增加,焊缝金属表面辐照孔洞越大.结论 离子辐照导致焊缝金属晶体结构发生变化,使焊缝金属出现辐照硬化现象;与氘离子辐照相比,氦离子辐照孔洞更大,辐照硬化率更高.     

20钢强流脉冲电子束表面合金化的微观组织和性能

为改善20钢件的表面性能,利用强流脉冲电子束(HCPEB)技术与预置涂层相结合的技术在20钢表面合金化Cr元素以获得高性能的合金复合改性层。利用X射线衍射、金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、维氏硬度计以及多功能微机电化学分析仪对合金化层的显微组织以及性能进行研究。结果表明:20钢经过HCPEB辐照合金化后,形成了厚度约为4~6μm的合金化改性层,Cr元素在样品表层发生了固溶和扩散。部分渗碳体在辐照诱发的应力作用下出现弯折、粒化等现象,并在基体溶解与Cr结合析出颗粒细小弥散的Cr_(23)C_6增强相。HCPEB辐照合金化后材料表层显微硬度提高了35%,腐蚀电流密度降低了1个数量级。     

γ辐照剂量和预压量对硅泡沫材料性能的影响

硅橡胶泡沫材料的减震吸能特性与其使用环境和使用状态密切相关,而目前有关辐照环境条件对材料性能的影响研究却很少。鉴此,本研究通过扫描电镜(SEM)观察和力学性能测试,研究了预压量和辐照剂量对硅橡胶泡沫材料性能的影响,并通过辐照前后材料应力-应变曲线中应力平台段宽度和平台应力大小的分析比较,进一步研究了辐照对材料减震吸能特性的影响及其作用机制。研究结果表明:辐照剂量为100kGy、预压量低于30%时硅橡胶泡沫材料性能和应力-应变曲线中应力平台段宽度的变化并不明显。而随着辐照剂量的增加,应力平台段的宽度逐渐减小,材料减震性能下降。从材料的宏观性能和微观结构来看,低辐照剂量下硅橡胶泡沫材料辐照损伤中交联效应占据优势,交联密度的增加使得材料硬度和强度的提高以及断裂伸长率的降低。而辐照剂量超过500kGy后,泡沫材料辐照损伤中降解效应占据优势,进而导致材料硬度和强度的降低以及断裂伸长率的提高。该研究为辐照前后材料性能评估提供了理论依据和手段。     

挤压态Mg-10Gd-3Y合金动态维氏硬度的研究

研究了挤压态Mg-10Gd-3Y合金的动态维氏硬度,分析了压痕周围的微观组织,并与静态维氏硬度值进行对比。结果表明:挤压态Mg-10Gd-3Y合金动态维氏硬度高于静态维氏硬度,表现出明显的应变率正效应,并且其动态维氏硬度随应变量的增加出现一个极大值,压痕周围出现孪晶组织,随应变量的增加孪晶数量减少。     

He等离子体辅助的纳米钨结构材料的制备

利用He等离子体辅助的方法制备了纳米钨结构材料,采用扫描电子显微镜、轻敲模式原子力显微镜对不同辐照离子剂量和功率变化条件下处理的样品形貌、表面粗糙度等特征进行了分析。结果表明,在放电功率为6 kW,离子能量为220 eV条件下,钨表面先出现纳米孔结构,随着离子辐照剂量的增加,纳米孔径逐渐增加,辐照剂量为1.0×10~(26) ions·m~(-2)时,样品表面呈现密集的无序分布的纳米丝结构层,纳米结构层的厚度也随辐照剂量的增加而增加。高分辨扫描电子显微镜的测试结果表明纳米丝根部与钨基体界面处存在大量的纳米级He泡,由此给出了纳米钨丝是由He泡演化而来的直接证据。     

高温氘离子辐照对低活化钢微观结构的影响

材料问题是可控核聚变能否实现商业应用从而解决人类能源问题的"瓶颈"之一。低活化铁素体/马氏体(RAFM)钢具有良好的抗辐照性能,被普遍认为是新一代聚变反应堆的候选结构材料之一。在聚变堆环境下,材料不仅会受到高能中子辐照而且氘氚也可能进入材料中。为了研究氘离子以及辐照对低活化钢的微观结构的影响,采用CLAM钢(一种RAFM钢)和FeCr模型合金,在500℃下进行58keV氘离子辐照,利用高分辨透射电镜对比分析辐照前后材料微观结构的变化,研究辐照及氘离子对低活化钢的影响。结果表明:高温氘离子辐照不仅在材料中产生大量的缺陷和缺陷集团,同时还可能产生辐照诱导析出。而CLAM钢中原有的析出物经高温离子辐照后并没有发生非晶化,对其原因进行了讨论。     

He~+辐照对非晶碳氢薄膜表面硬度的影响

在室温下,利用等离子体增强的化学气相沉积法(PECVD)在硅衬底上制备了非晶碳氢薄膜。采用100keV,剂量分别为1.0×1015、5.0×1015、5.0×1016和1.0×1017ions/cm2的He离子(He+)对非晶碳氢薄膜进行辐照实验。通过基于原子力显微镜(AFM)的纳米压痕和纳米划痕技术,对He+辐照前后碳氢薄膜的表面硬度进行分析。结果表明,经He+辐照后碳氢薄膜的表面硬度明显增加,并且随着He+辐照剂量增加,碳氢薄膜的表面硬度呈逐渐增加的趋势。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和拉曼光谱分析表明,He+辐照会导致碳氢薄膜中sp2C键含量明显增加,而sp3C键及H原子的含量明显降低,这可能是引起碳氢薄膜硬度变化的主要原因。     

基于铝热反应Cu-Fe二元合金的微观组织与摩擦性能研究EI北大核心CSCD

基于铝热法制备含2%(质量分数)Al的Cu-Fe合金,采用XRD,SEM,EDS和EBSD技术对Cu-Fe合金的相结构、微观组织进行表征,同时采用HVS-1000A维氏硬度仪和CFT-1材料表面性能测试仪测试Cu-Fe合金的硬度及抗磨损性能。结果表明:利用铝热反应可高效地制备Cu-Fe合金,成分可控,组织致密无夹杂,其中Fe相均匀地分布在Cu基体中,Cu和Fe的相界面结合良好;Fe相的硬度为322.2HV,基体Cu相的硬度为169.3HV,Cu-Fe合金的电导率为40.8 MS/m。铝热法制备的Cu-Fe合金具有较低的摩擦因数,平均摩擦因数为0.124,磨损率为2.17×10^(-3) mm 3·N^(-1)·m^(-1)。     

低过热度电磁铸造合金组织与性能

采用电子显微镜、图象分析仪及维氏硬度计,研究了近液相线电磁铸造(NLEMC)、电磁铸造(EMC)、近液相线铸造(NLC)合金浆料的显微组织,并对其流变成形件的硬度进行了测定.结果表明,近液相线电磁铸造(NLEMC)合金浆料的组织为细小、均匀的等轴晶组织,其晶粒平均等积圆直径为32.8μm,其流变成形件的维氏硬度值为122.8Hv,均优于电磁铸造(EMC)和近液相线铸造(NLC)的合金组织与流变成形件的性能.并讨论了NLEMC晶粒细化的机理.     

强流脉冲电子束熔覆Al-Pb合金涂层的显微组织与摩擦磨损性能EI北大核心

为改善Al-Pb合金的表面硬度和耐磨性能,利用强流脉冲电子束(high current pulsed electron beam,HCPEB)对涂敷在纯铝(Al)表面的铅(Pb)层进行辐照合金化处理,制备具有优异性能的Al-Pb合金化层。采用3D激光扫描显微系统(laser scanning microscope,LSM)测量表面粗糙度;利用带能谱仪(energy dispersive spectrometer,EDS)的场发射扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)分析辐照合金化前后Al-Pb涂层的微观形貌、结构与元素分布;随后使用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)观察合金层的物相组成;利用透射电镜(transmission electron microscope,TEM)精细表征Al-Pb合金层的微观结构,最后测试辐照前后样品表面的显微硬度、平均摩擦因数与磨损率并分析硬度及磨损增强机理,探究和总结材料表面性能强化机制,建立辐照合金层表面-微观组织-表面性能之间的内在联系。结果表明:经过HCPEB辐照处理后,Al基体与Pb涂层呈现良好的冶金结合,并在30次辐照后制备了10.2μm厚的Al-Pb合金层;与纯铝及原始涂层相比,辐照30次后(111)Al晶面衍射峰发生了宽化,同时衍射峰的位置也向低角度发生微小移动,这表明基体表面Al晶粒在HCPEB表面合金化处理后得到了显著的细化且晶胞发生膨胀,晶格常数增大;HCPEB诱发样品表面形成了亚晶、位错、位错胞、少量的Al(Pb)固溶体以及大量纳米级富Pb颗粒。性能测试结果表明,经电子束辐照后Al-Pb涂层表面的硬度和耐磨性显著提高。     

γ射线辐照对PA6/PTFE合金吸水与力学性能的影响

为了探讨辐照对尼龙6(PA6)基共混材料吸水性能和力学性能的影响,制备了PA6和聚四氟乙烯(PTFE)共混合金并在室温下进行不同剂量的60Coγ射线辐照.通过吸水率测试、准静态拉伸和弯曲实验以及缺口冲击测试,研究了辐照对PA6/PTFE共混体系吸水性能以及吸收水和辐照剂量对共混合金动静态力学性能的影响.结果表明,辐照过程引发交联反应,共混合金的拉伸强度、拉伸模量和弯曲模量均随辐照剂量的增大而增大,而缺口冲击强度和吸水率则随之减小.吸收水对共混合金缺口冲击强度的影响与合金组分有关.PTFE含量较低时,吸收水抑制PTFE对合金冲击强度的减弱作用;当PTFE的质量分数大于7%时,吸收水反而加剧PTFE对材料冲击强度的减弱效应.此外,PA6/PTFE合金的吸水率随PTFE含量的增加而降低,而弯曲模量则先增后减.     

材料维氏硬度仪器化压入方法准确度研究

针对仪器化压入测试识别材料维氏硬度的精度问题,该文采用有限元数值分析方法获得不同材料的维氏硬度理论计算值,以此为基础,分别对仪器化压入识别材料维氏硬度的3种代表性方法——"ISO方法"、"Kang方法"和"Ma方法 "进行理论精度分析,并进行实验验证。结果表明:1)3种方法识别的维氏硬度理论误差均随材料比功We/Wt增加呈先减小后增大的趋势;其中,"ISO方法"识别的维氏硬度值相比理论值普遍偏大,"Kang方法"识别的维氏硬度值相比理论值均偏小。2)"Ma方法"基于仪器化压入识别材料维氏硬度的理论误差最小,理论准确度相对较高。3)当被测材料的材料比功在0.01We/Wt0.3时,对应η和n不同取值下的3种方法各自识别的维氏硬度误差值较为离散;当0.3We/Wt0.85时则较为集中。该文工作,为下一步研究维氏硬度仪器化压入新方法提供一定的理论基础。     

铝材化学镀Ni-W-P溶液中硝酸镧含量对镀层性能的影响

为了提高铝材Ni-W-P镀层的耐腐蚀性,在镀液中加入La(NO3)3,在1060铝表面化学镀Ni-W-P合金层.采用电化学法和失重法分析了合金镀层的耐蚀性,采用扫描电镜观察合金镀层的形貌,采用X射线衍射仪分析了镀层的结构;研究了La(NO3)3含量对Ni-W-P镀层沉积速率、孔隙率、腐蚀速率、腐蚀电位、腐蚀电流、交流阻抗、维氏硬度等性能的影响;对镀层进行热处理,研究了热处理对合金镀层性能的影响.结果表明:当镀液中La(NO3)3质量分数为1.0％时,所得镀层的沉积速率最大,为65.7 g/(m2·h),维氏硬度最高,为80.3 HV,孔隙率最低,镀层的耐蚀性能最好,镀层包状物颗粒大小均匀、紧密、无缺陷;经100～500℃热处理后,镀层硬度有所提高,但耐蚀性有不同程度下降,经300℃热处理后,合金维氏硬度高达136 HV,是未热处理的1.7倍.