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.     

Si(111) 衬底上3C-SiC的超低压低温外延生长

研究了发展一种Si衬底上低温外延生长3C－SiC的方法。采用LPCVD生长系统，以SiH4和C2H4为气源，在超低压（30Pa) ,低温（900℃）的条件下，在Si(111衬底上外延生长出高质量的3C－SiC薄膜材料。采用俄歇能谱（AES），X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）等分析手段研究了SiC薄膜的外延层组分，晶体结构及其表面形貌。AES结果表明薄膜中的Si/C的原子比例符合SiC的理想化学计量比，XRD结果显示了3C－SiC外延薄膜的良好晶体结构，AFM揭示了3C－SiC薄膜的良好的表面形貌。     

聚变堆结构材料SiC/SiC的研究进展

SiC/SiC复合材料具有优异的高温强度、抗蠕变性能、耐腐蚀和热冲击性能、假塑性断裂行为以及在聚变环境下固有的低诱导放射性和放射余热,被公认为是聚变堆结构的候选材料,在国际上很多反应堆概念设计中颇受瞩目.综述了几十年来世界范围内对聚变堆包层结构应用背景下的SiC纤维、SiC单体、纤维一基体界面以及SiC/SiC复合材料的研究进展,阐述了对该复合材料辐照效应的研究现状,并在此基础之上指出了目前SiC/SiC复合材料应用于聚变堆包层结构材料的限制因素.     

辐照条件下SiC晶界导热性能的分子动力学分析

SiC材料由于具有优良的物理化学性质而在工程领域得到广泛应用。但在辐照条件下,Frenkel缺陷势必影响材料的宏观性质。尤其在核能工程领域,辐照无法避免,而传热性质是材料的关键性质之一。本文采用分子动力学方法模拟了SiC材料晶界导热性质在辐照缺陷存在条件下的变化规律。研究结果表明,晶界扭转角度越大,界面能也越大,并且界面热阻大致与界面能呈正比关系。辐照缺陷的存在使界面热阻增加了一个数量级。声子态密度分析结果表明,界面附近原子晶格失配程度增加是导致辐照后界面热阻进一步增加的原因。     

连续SiC纤维和SiCf/SiC复合材料的研究进展

连续SiC纤维最主要的制备方法是先驱体转化法, 目前已发展到第三代, 它主要作为SiC基复合材料(SiC_f/SiC)的增强体。SiC_f/SiC具有优异的耐高温、抗氧化和高温抗蠕变性, 及其在中子辐照条件下的低放射性, 成为高温、辐射等苛刻条件下结构部件的优先候选材料。本文首先对国内外SiC纤维的发展, 尤其是对第三代SiC纤维的不同制备思路和特征进行了介绍。然后, 对SiC_f/SiC制备工艺和性能的进展进行了综述, 突出了制备工艺创新与SiC纤维发展的关系。最后, 对近几年SiC_f/SiC在高性能航空发动机、聚变反应堆领域的应用进展进行了总结, 并对国内连续SiC纤维和SiC_f/SiC复合材料的发展进行了展望。     

核用碳化硅纤维增强碳化硅复合材料研究进展

碳化硅纤维增强碳化硅(SiC_f/SiC)复合材料具有低中子毒性、耐中子辐照和耐高温氧化等特性, 成为先进核能系统重要的候选结构材料。近年来, 国内外学术界和工业界针对核用SiC_f/SiC复合材料开展了大量研究工作, 取得了一系列重要的研究进展。针对SiC_f/SiC复合材料面向核用所关注的重点方向, 如核用SiC纤维、纤维/基体界面相、复合材料制备工艺、数值仿真、腐蚀行为和表面防护、连接技术以及辐照损伤等方面, 本文进行了综述和讨论, 并针对核用要求指出了SiC_f/SiC复合材料存在的主要问题和可能的解决思路, 希望对该材料的进一步研发和最终应用有所裨益。     

C/C复合材料在原子氧辐照下的结构性能演变

通过分析失重率、显微形貌变化讨论了原子氧辐照对C/C复合材料以及SiC基体改性C/C复合材料(C/C-SiC)的损伤机制; 并通过热膨胀系数(CTE)、热扩散率(TD)以及弯曲强度等性能的变化, 进一步讨论了原子氧辐照损伤对材料热物理及力学性能影响。结果表明, C/C复合材料受原子氧辐照损伤是物理化学综合作用, 属于冲击诱发-增强表面化学刻蚀; SiC组元表现出良好的抗原子氧侵蚀性能, 阻碍了原子氧向材料内部侵蚀, 但是SiC组元在更长时间辐照后出现机械破损; C/C复合材料在原子氧辐照下失重率呈线性增加, 而C/C-SiC复合材料失重率小于C/C复合材料且增长幅度越来越小; C/C复合材料和C/C-SiC复合材料的整体结构性能在辐照损伤后发生了一定变化。     

氮氧化硅材料的研究进展

综述了近几年氮氧化硅复合材料、氮氧化硅薄膜材料和介孔氮氧化硅材料的研究与发展现状。着重介绍了氮氧化硅薄膜材料的发光特性和折射率可调特性,及其不同的制备方法。同时介绍了介孔氮氧化硅材料和Si_3N_4/Si_2N_2O、SiC/Si_2N_2O及BN/SiNOf三种应用较多的氮氧化硅复合材料的研究现状。并对氮氧化硅材料的研究与应用进行了展望。     

500 keV质子辐照对氧化石墨烯薄膜材料的影响研究

新兴的二维石墨烯材料因其优异的导电、导热性、力学性能等,是目前各领域研究的热点。本工作利用地面模拟设备研究了PET基底上氧化石墨烯薄膜材料的质子辐射效应。分别对500 keV质子辐照前后的氧化石墨烯薄膜材料进行了XPS、Raman以及XRD分析,得到了质子辐照对材料表面化学组成、结构以及辐射缺陷的影响。结果表明,在质子辐照注量达到2×10~(15)/cm~2时,材料表面发生了明显变化,薄膜颜色由棕黄色变为了黑色,主要是因为材料在质子辐照作用下发生了脱氧行为,使得材料中的含氧基团减少。XPS测试结果表明,随着辐照注量的增加,材料中的碳氧原子比不断增大。Raman测试结果表明,辐照后不仅使得材料中的缺陷增多,而且材料结构也发生了严重的无序化转变。     

平纹编织SiC/SiC复合材料多尺度建模及强度预测

连续SiC纤维增强SiC基体复合材料（SiC/SiC）具有优异的高温力学性能、辐照稳定性及较低的氚渗透率,在核工程结构领域具有良好的应用前景,掌握其承载状态下的损伤演化和强度性能,对SiC/SiC复合材料的应用具有重要指导意义。本文基于平纹编织SiC/SiC复合材料的制备过程和组分材料分布的多尺度特性,考虑复合材料微观结构的局部近似周期性,建立了纤维丝尺度和纤维束尺度单胞模型。使用有限元分析软件对纤维丝尺度模型的弹性性能和强度性能进行预测,将这些性能参数代入纤维束尺度模型,引入Tsai-Wu失效准则,根据材料的不同失效模式并对失效单元进行方向性刚度折减,模拟了平纹编织SiC/SiC复合材料在单轴拉伸载荷下的渐进损伤过程。数值模拟曲线与试验曲线吻合较好,实现了对平纹编织SiC/SiC复合材料强度的有效预测。      

梯度复合SiC/C面向等离子体材料的制备与表征

利用粉末冶金方法,完成了SiC和C两种难烧结物质的同步烧结,制备出了SiC成分分布从0％～100％的接近理论密度的SiC/C FGM,显微观察显示材料的成分和结构是呈梯度分布的。材料将SiC的良好的耐腐蚀性和石墨的良好的抗热冲击性结合在一起,并具有较高的有效热导和良好的抗热疲劳能力,化学溅射和Tokamak原位等离子体辐照结果显示材料具有良好的耐高温等离子体冲刷性能。     

Specimen size effects on fracture behaviour of SiC/SiC tubes during circumferential tensile test

SiC fiber-reinforced SiC matrix (SiC/SiC) composites are expected as a high-temperature structural material for the application of aerospace and nuclear energy system due to their high-temperature stability, reduced-activation property, and excellent irradiation resistance. It was investigated the size effects of test specimen on the fracture behaviour and apparent strength of SiC/SiC tubes in order to minimize the size of test specimen, as well as to develop circumferential tensile test method for SiC/SiC fuel cladding of nuclear reactor. The tube specimens with a narrow width (less than 5 mm) represented the stable value of apparent strength. In case of wide width (>5 mm), the apparent strength of test specimen decreased with the increase in specimen width. It was observed that the fracture of the test specimen with wide width was initiated from the sides of test specimen due to the local contact between loading pin and the test specimen. It is required to use the material with high modulus as a loading pin material in order to avoid the stress concentration caused by local contact.     

Porous SiC nanowire arrays as stable photocatalyst for water splitting under UV irradiation

In this study, we report the fabrication and photocatalytic properties of the oriented arrays of SiC nanowires on the Si substrate. The SiC nanowire arrays were prepared by carbonizing the Si nanowire arrays with the graphite powder at 1250 °C. The as-prepared SiC nanowires are highly porous, which endows them with a high surface-to-volume ratio. Considering the large surface areas and the high stability, the porous SiC nanowire arrays were used as photocatalyst for water splitting under UV irradiation. It was found that such porous SiC structure exhibited an enhanced and extremely stable photocatalytic performance.     

蠕虫状碳化硅的合成及光解水制氢性能

以酚醛树脂和工业水玻璃为碳源和硅源,通过碳热还原合成了蠕虫状的碳化硅,并对其进行了X射线衍射、BET表面积、扫描电镜、透射电镜和紫外可见漫反射的表征,考察了所制碳化硅样品在可见光照射下光催化分解水产氢的活性。结果表明,蠕虫状碳化硅在可见光区有较强的吸收,在可见光照下能有效稳定地分解纯水产氢,光照10h的平均产氢速率为88μL/(h.g)。     

激光照射原位生成SiC晶须时粘结剂对晶须的影响

进行了含粘结剂和不含粘结剂的SiC纳米颗粒激光照射原位生成SiC晶须的比对试验,用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)分析了晶须的相组成和微观形貌,研究了粘结剂对生成晶须的影响。结果表明,在适当的激光参数下,不含粘结剂和含粘结剂的样品中均有晶须生成,不含粘结剂样品中晶须数量较少,而含粘结剂样品中晶须数量众多,且尺寸、形态各异。SiC纳米颗粒中掺入粘结剂可大幅度提高SiC晶须的生成数量,但并不影响晶须的纯度。     

不同界面SiC/SiC复合材料的断裂行为研究

碳化硅纤维增强碳化硅复合材料(SiC/SiC)是极具前景的高温结构材料。通过先驱体浸渍裂解(PIP)工艺分别制备了PyC界面和CNTs界面SiC/SiC复合材料, 对两种SiC/SiC复合材料的整体力学性能以及界面剪切强度等进行了测试表征, 并对材料中裂纹的产生与扩展进行了原位观测。结果表明, 两种界面SiC/SiC复合材料弯曲强度相近, 但PyC界面SiC/SiC复合材料的断裂韧性约为CNTs界面SiC/SiC复合材料的两倍。在PyC界面SiC/SiC复合材料中, 裂纹沿纤维-基体界面扩展, PyC涂层能够偏转或阻止裂纹, 材料呈现伪塑性断裂特征; 而在CNTs界面SiC/SiC复合材料中, 裂纹在扩展路径上遇到界面并不偏转, 初始裂纹最终发展为主裂纹, 材料呈现脆性断裂模式。     

CVD SiC涂层SiC纤维增强SiC复合材料的研究

本文采用CVD技术对KD-1 SiC纤维作涂层处理,再通过聚碳硅烷浸渍裂解法制备单向SiCf/SiC复合材料.研究了不同沉积时间的CVDSiC涂层对SiCf/SiC复合材料性能的影响,同时运用SEM研究了SiC纤维表面SiC涂层的形貌.结果表明:经过5小时CVDSiC涂层SiCf/SiC复合材料具有良好的力学性能和抗氧化性能.