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《复旦大学》 2011年
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辐照损伤材料的实验模拟研究:含氦薄膜制备及MAX相材料离子辐照行为

张磊  
【摘要】:辐照损伤是核材料研究中最具特色和难度的重要问题。特别是由于α放射性的固体所产生的α粒子(如钚)或含氚材料中因氚衰变产生的氦-3在材料自身晶格中的滞留,产生自辐照效应以及中子或重离子等外来粒子对材料损伤所产生的外辐照效应。这两种效应的存在将会对材料性能,使用寿命等方面提出严峻考验,因此本论文就是基于这两种辐照效应背景而开展相关实验模拟研究的。 氚在能源工业和国防事业中有着重要的作用,高性能储氚材料的研制在氚技术中是十分关键的。但氚衰变产生的氦会对材料性能产生很大的影响,是一种重要的形式上的自辐照效应。在进行金属中的氦行为研究时首先必须进行氦的引入。通常的氦离子注入会引发严重的晶格损伤;氚衰变和中子辐照则因为半衰期太长和实验设备安全防护等原因不易于实验室操作。为此,本论文提出了金属薄膜中引入氦的新方法—ECR等离子体辅助磁控溅射制备含氦薄膜。该方法的优点是不仅可以在薄膜中均匀引入氦而不带来额外的移位损伤,并且可以制备出表而平整、光洁、致密的金属薄膜。 结合离子束分析、X射线衍射、扫描电镜、透射电镜、原子力显微镜、正电子湮灭、热脱附谱等技术对含氦钛膜进行了系统表征。X射线衍射表明,随着基片偏压的增加,Ti薄膜的择优取向从(002)转变为(100)取向。对薄膜择优取向改变起主导轰击作用的粒子是磁控溅射等离子区阳极鞘层的氩离子。在低氦含量引入薄膜时,氦的轰击效果也会对薄膜择优取向的改变产生轻微影响。对于传统磁控溅射引氦,主要以入射到阴极靶表面经氦离子背向散射后,转化为中性的氦粒子注入为主,而ECR等离子体辅助磁控溅射方法引氦,则基本来自ECR等离子体区中施加偏压的阳极鞘层的氦离子注入。由于两种引氦方法的不同,因此氦在薄膜中的存在状态和演化行为也不一样。ECR等离子体辅助磁控溅射在制备含氦薄膜时,轰击的氦粒子能量可控制在100eV左右,接近损伤阈值能量,因此薄膜的损伤很小,这与keV能量的氦离子注入引起的薄膜严重损伤情况完全不同。随着薄膜含氦量的增加,晶格点阵参数增大,X射线衍射峰宽化,薄膜晶粒细化,无序程度增加,点阵参数与衍射峰宽化随氦浓度变化的特性曲线与传统磁控溅射相比更接近氚衰变情况。 通过在基片上加光控传感器进一步改进了ECR辅助磁控溅射系统,从而实现了磁控溅射区偏压和ECR等离子区偏压在镀膜过程中分别控制。从AFM和SEM图中可以观察到,改进的ECR辅助磁控溅射法与传统磁控溅射相比,制备的金属薄膜同时具备空位浓度缺陷少,薄膜致密度好,表面平整度高等优点。 正电子湮灭能谱的多普勒展宽图表明在ECR等离子体辐照下,Ti膜的密度增加,空位减少。通过比较发现,ECR等离子体辅助磁控溅射法制备薄膜的空位浓度均小于传统磁控溅射法制备的相同含氦量薄膜的空位浓度缺陷。 综合上述氦行为表征的特性说明,ECR等离子体辅助磁控溅射系统的引氦方法更接近于氚衰变产生的氦原子的存在及演化行为,可用于模拟氚衰变中氦产生对材料的影响,这可避免氚衰变产生氦所需的长实验周期。 Ti3SiC2 MAX相材料被认为潜在的可用于聚变堆第一壁/包层的结构材料。本论文第二部分的目的主要是探讨Ti3SiC2 MAX相体材料的辐照损伤机理,研究的重点集中在用同步辐射X射线衍射结合正电子湮灭谱分析重离子辐照后的Ti3SiC2材料的缺陷及其退火恢复。用扫描电镜和原子力显微镜对Ti3SiC2材料的表面形貌进行分析。 首先实验采用2 MeV高剂量的碘离子辐照Ti3SiC2样品。X衍射峰位偏移和衍射峰宽化主要是因为大小从原子尺度到微米尺度的晶格尺寸缺陷引起的。正电子湮灭谱显示辐照样品与未辐照样品相比有更多的空位类型缺陷,特别在高剂量辐照损伤后,样品表层区域的损伤有明显增加。扫描电子显微镜和X射线衍射分析的结果发现了TiC纳米晶相会在高剂量损伤下形成。温度在500~800℃之间的后退火实验会导致Ti3SiC2和TiC两种相的同时生长。 实验又采用了三种自离子(Ti、Si和C)对Ti3SiC2材料进行辐照研究。实验结果表明,在三种不同离子辐照下,MAX材料都会在高剂量损伤下分解产生TiC纳米晶相。值得注意的是,C离子在高剂量的辐照损伤下,虽然Ti3SiC2发生了分解但MAX相仍然保持相对较好的晶体性。而Ti和Si离子则在较高剂量时,晶体就呈现出较严重的无序度。造成MAX相的无序度以及Ti3SiC2材料分解的原因与核阻止和电子阻止能量损失及相对大小有关,即与辐照离子种类、能量、辐照剂量、剂量率(dpa/s)以及辐照温度等因素相关。 本文还对Ti3SiC2材料中的氦行为进行了初步研究。对样品表面进行了较低能量和高通量的He离子轰击,正电子湮灭分析表明,随着氦离子注入剂量的增加,S因子逐渐升高,空位性缺陷浓度增加。当注入剂量达到一定值时,S因子急剧升高,预示着大量氦泡的生长发生。同步辐射掠角X射线衍射分析说明,在He、Si离子协同辐照作用下,样品表面层将会形成比高剂量碘离子辐照情况下还严重的非晶化现象。
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O571.33;TL627

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 赵莉;梅炳初;朱教群;周卫兵;高闰丰;;Ti_3SiC_2及其复合材料的研究现状及发展趋势[J];山东陶瓷;2005年05期
2 李云凯,纪康俊;聚变堆等离子体面对材料[J];材料导报;1999年03期
3 于兴哲;宋月清;崔舜;李明;李增德;;聚变堆用结构材料的研究现状与进展[J];材料导报;2008年02期
4 向其军,刘咏,刘伯威;新型陶瓷材料Ti_3SiC_2制备技术的研究进展[J];粉末冶金技术;2005年04期
5 魏澎,赵国庆,赖祖武,宋哲明,罗泗维;氦在钛靶及Al_2O_3中的行为研究[J];核技术;1996年08期
6 黄群英;李春京;李艳芬;刘少军;吴宜灿;李建刚;万发荣;巨新;单以银;郁金南;朱升云;张品源;杨建锋;韩福生;孔明光;李合琴;室贺健夫;长坂琢也;;中国低活化马氏体钢CLAM研究进展[J];核科学与工程;2007年01期
7 魏龙,陈红民,于润升,王宝义,张天保,郁伟中,何元金,王天民;一种新的灵敏核探针——慢正电子束流装置[J];原子核物理评论;2000年02期
8 张崇宏,陈克勤,王引书,孙继光;金属材料中氦的扩散与氦泡的形核生长研究[J];原子核物理评论;2001年01期
9 王志光;;利用高能离子模拟研究反应堆结构材料中的辐照效应[J];原子核物理评论;2006年02期
10 王隆保,吕曼祺,李依依;金属氚化物的时效和时效效应[J];金属学报;2003年05期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 丁心全;樊晓泉;徐政;包亮;;高温氧化物超导体晶体结构研究[J];安徽大学学报(自然科学版);1990年01期
2 吉跃仁;Larmor旋进与“附加能量”[J];安徽师范大学学报(自然科学版);2002年03期
3 魏健文;多电子原子Thomas修正探讨[J];安徽师范大学学报(自然科学版);2003年03期
4 刘伟;根据介质极化率求机械法拉第效应旋转角[J];安阳师范学院学报;2003年02期
5 余泉茂,胡本芙,陈焕铭;低活性Fe-Cr-Mn(W,V)奥氏体合金长期时效高温力学性能和相稳定性研究[J];兵器材料科学与工程;2003年01期
6 于梅花;;锆金属腐蚀的电阻模型[J];兵器材料科学与工程;2009年02期
7 胡成余,秦志新,冯振兴,陈志忠,杨华,杨志坚,于彤军,胡晓东,姚淑德,张国义;氧化Au/Ni/p-GaN欧姆接触形成的机理[J];半导体学报;2005年06期
8 张继军;介万奇;;Cd_(0.8)Mn_(0.2)Te晶体的生长及其性能[J];半导体学报;2006年06期
9 赵朝阳;李锐鹏;孙柏;徐彭寿;张国斌;潘国强;;ZnO/Si(111)界面结构的同步辐射掠入射X射线衍射研究[J];半导体学报;2007年11期
10 韩金林,高峰,王佩春;LB-352液位计的应用研究[J];包钢科技;2000年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 黄波;黄群英;李春京;刘少军;FDS团队;;聚变堆包层CLAM钢冷却流道液压胀型模拟[A];安徽新能源技术创新与产业发展博士科技论坛论文集[C];2010年
2 凌新圳;黄群英;宋勇;高胜;朱志强;陈雅萍;FDS团队;;液态Pb及LiPb合金与聚变堆候选结构材料润湿性研究现状[A];安徽新能源技术创新与产业发展博士科技论坛论文集[C];2010年
3 杨彦佶;陈勇;徐玉朋;韩大炜;陆景彬;崔苇苇;王于仨;王娟;霍嘉;李炜;刘晓艳;李承奎;陈田祥;胡渭;李茂顺;陆波;张艺;朱玥;李正伟;刘琰;吴帝;;CCD型X射线探测器能量分辨与温度关系[A];第二十四届全国空间探测学术交流会论文摘要集[C];2011年
4 赵艳;程从前;赵杰;曹志远;;Sn污染对304不锈钢高温水腐蚀性能的影响[A];2011年全国失效分析学术会议论文集[C];2011年
5 钱晓静;罗德礼;黄国强;熊义富;雷强华;;热循环吸附法(TCAP)分离氕、氘的研究[A];2006全国核材料学术交流会论文集[C];2006年
6 孟丹;邓长明;程昶;任熠;宋称心;刘芸;;大面积塑料闪烁体探测模块的性能测试[A];第十三届全国核电子学与核探测技术学术年会论文集(上册)[C];2006年
7 黄群英;FDS团队;;中国液态锂铅包层材料研究进展[A];中国核学会核材料分会2007年度学术交流会论文集[C];2007年
8 陈淼;陆光达;张桂凯;;钯的氚老化效应研究现状[A];中国核学会核材料分会2007年度学术交流会论文集[C];2007年
9 许增裕;;聚变堆材料中子辐照性能研究动态[A];中国核学会核材料分会2007年度学术交流会论文集[C];2007年
10 赵雅文;刘柯钊;陈向林;王小英;任大鹏;;充氚不锈钢中氦行为的PAL和TEM研究[A];中国核学会核材料分会2007年度学术交流会论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 杨贺润;Micromegas探测器的性能研究[D];兰州大学;2010年
2 张发生;4H-SiC同质外延薄膜及其高压肖特基二极管器件研究[D];湖南大学;2010年
3 梁晓峦;白光LED用稀土离子/过渡金属离子掺杂发光玻璃的制备及性能研究[D];华东理工大学;2011年
4 刘永刚;γ能谱谱数据分解方法研究[D];中国地质大学(北京);2011年
5 徐玉存;MOSFET调制器关键技术及氦离子FFAG感应加速腔模拟研究[D];中国科学技术大学;2011年
6 马紫微;HfO_2薄膜的溅射制备及其性能研究[D];兰州大学;2011年
7 张少梅;LiNbO_3的光波导特性研究和平板光子晶体结构的制备[D];山东大学;2011年
8 赵金花;离子注入光学晶体波导结构的特性研究[D];山东大学;2011年
9 杨洋;磁场诱导跃迁用于等离子体磁场诊断的可行性研究及其设备建设和方法探索[D];复旦大学;2011年
10 鲁永芳;金属钛膜中氢对氦行为作用和影响的研究[D];复旦大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 楮忠强;单片机系统X射线剂量增强效应研究[D];中国工程物理研究院;2009年
2 余铭铭;金属V掺Ni的改性研究[D];中国工程物理研究院;2010年
3 陈镐;热浸镀铝制备不锈钢容器表面铝化物涂层及其渗氘性能[D];中国工程物理研究院;2010年
4 温昶;钧官瓷断代和不同时期刘家门窑钧瓷的研究[D];郑州大学;2010年
5 沈策;新型Ce~(3+)离子和SnO_2掺杂玻璃的发光性能研究[D];华东理工大学;2011年
6 李艳;PVD技术制备铂基掺铈薄膜及其结构研究[D];昆明理工大学;2009年
7 王蓬;基于高速采集卡的伽马能谱仪设计[D];中国地质大学(北京);2011年
8 答元;MOS器件电离损伤的蒙特卡罗模拟研究[D];西安工业大学;2011年
9 苏赛赛;电沉积处理高浓度含锌废水的实验研究[D];太原理工大学;2011年
10 杨海芳;质子打薄靶的角度和能量歧离的蒙特卡罗模拟[D];吉林大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 赵莉;梅炳初;朱教群;周卫兵;高闰丰;;Ti_3SiC_2及其复合材料的研究现状及发展趋势[J];山东陶瓷;2005年05期
2 周张健;钟志宏;沈卫平;葛昌纯;;聚变堆中面向等离子体材料的研究进展[J];材料导报;2005年12期
3 李翀;赫小东;朱春城;柏跃磊;;三元层状陶瓷Ti_3SiC_2的高温氧化行为[J];材料工程;2006年S1期
4 朱教群,梅炳初,陈艳林;三元层状碳化物Ti_3SiC_2的研究进展[J];材料科学与工程;2001年04期
5 朱教群,梅炳初,陈艳林;放电等离子烧结制备Ti_3SiC_2材料的研究[J];材料科学与工程;2002年04期
6 刘光明,李美栓,周延春,张亚明;Ti_3SiC_2氧化膜的抗循环氧化行为[J];材料研究学报;2002年03期
7 胡春峰,包亦望,周延春;Ti_3SiC_2陶瓷的能量耗散机理[J];材料研究学报;2005年05期
8 向其军,刘咏,杜勇,刘伯威;高性能陶瓷材料Ti_3SiC_2的研究进展[J];粉末冶金材料科学与工程;2004年01期
9 向其军,刘咏,刘伯威;新型陶瓷材料Ti_3SiC_2制备技术的研究进展[J];粉末冶金技术;2005年04期
10 李世波,成来飞,王东,张立同;层状Ti_3SiC_2陶瓷的组织结构及力学性能[J];复合材料学报;2002年06期
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中国期刊全文数据库 前10条
1 林赏心;郭亨群;;含纳米硅粒SiO_2薄膜的光致发光[J];华侨大学学报(自然科学版);2006年01期
2 李宝河;冯春;杨涛;翟中海;滕蛟;于广华;朱逢吾;;磁控溅射方法制备垂直取向FePt/BN颗粒膜[J];物理学报;2006年05期
3 朱秀榕;赖珍荃;蒋雅雅;范定寰;;氮气流量对反应磁控溅射制备TiN_x薄膜的影响[J];南昌大学学报(工科版);2008年02期
4 刘立华;李英爱;顾广瑞;赵永年;;金刚石基底上氮化硼薄膜的场发射特性研究[J];高压物理学报;2008年03期
5 马锋;王多书;罗崇泰;叶自煜;刘宏开;王济州;;用于激光直写灰度掩模的二元金属薄膜的制备及光学性质[J];真空与低温;2009年01期
6 王晶;余花娃;;磁控溅射制备纳米Ni-Al薄膜的表面粗糙度和电阻率的研究[J];西安工程大学学报;2009年04期
7 易泰民;邢丕峰;郑凤成;谢军;李朝阳;杨蒙生;;磁控溅射制备纳米厚度连续金膜[J];原子能科学技术;2010年04期
8 赵卓;周艳文;刘悦;;非平衡磁控溅射二维磁场分布模拟计算[J];真空科学与技术学报;2010年03期
9 罗远晟;陈松林;马平;蒲云体;朱基亮;朱建国;肖定全;;膜厚对ITO薄膜的电学与光学性质的影响[J];压电与声光;2010年06期
10 赖珍荃;邹文祥;李海翼;刘文兴;;溅射气压对DC磁控溅射制备AlN薄膜的影响[J];南昌大学学报(理科版);2011年01期
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1 姚吉升;唐三川;陈坚;王玺;周友元;黄军武;;ITO靶材在溅射过程中结瘤行为的研究[A];中国真空学会五届三次理事会暨学术会议论文集[C];2002年
2 徐政;俞晓正;沈志刚;;用磁控溅射方法在空心微珠表面镀纳米铜膜的研究[A];第八届全国颗粒制备与处理学术和应用研讨会论文集[C];2007年
3 刘艳涛;马剑平;;基于Atemga128的磁控溅射镀膜机(英文)[A];真空技术与表面工程——第九届真空冶金与表面工程学术会议论文集[C];2009年
4 吴萌;黄佳木;郝晓培;;磁控溅射TaN_x/Ag/TaN_x低辐射复合膜的性能[A];2011中国功能材料科技与产业高层论坛论文集(第二卷)[C];2011年
5 黎明锴;彭友贵;;氮化碳薄膜合成方法进展[A];第十一届全国核物理大会论文集[C];2000年
6 梁建华;赵鹏冀;郝万立;施立群;;磁控溅射锆钒合金膜[A];中国工程物理研究院科技年报(2005)[C];2005年
7 姚为;吴爱萍;邹贵生;任家烈;;Ti表面磁控溅射Nb膜的研究[A];中国真空学会2006年学术会议论文摘要集[C];2006年
8 季雅静;秦会斌;叶丽云;;NiFe层厚度对薄膜磁阻性能的影响[A];浙江省电子学会2006年学术年会论文集[C];2006年
9 林晶;刘壮;孙智慧;高德;;负偏压对PET上磁控溅射氧化铝薄膜的影响[A];中国真空学会2008学术年会论文集[C];2008年
10 霍纯青;桑利军;陈强;岳蕾;付亚波;;提高金属涂层与有机基材附着力的表面改性研究[A];第十三届全国等离子体科学技术会议论文集[C];2007年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 中国建材技术装备总公司高级工程师 孙廷祥;防眩光是汽车膜最重要的性能[N];中国消费者报;2004年
2 信息产业部电子信息产品管理司 王勃华;技术水平不断提高 部分产品有所突破[N];中国电子报;2001年
3 本报记者 孙颖;北仪创新:真空龙头[N];中国企业报;2010年
4 王桂兰 杨春莉;强生膜推出高端建筑陶瓷膜[N];中国建材报;2010年
5 本报记者 武孝军 实习生 肖枚;殷志强来衡讲授“太阳能”[N];衡阳日报;2009年
6 记者 李明娟;亿元以上投资项目达57个[N];甘肃经济日报;2009年
7 记者 张立君;中科纳米:自清洁玻璃产业化先锋[N];中国建材报;2004年
8 记者 陈雅君;清华阳光打造中国可再生能源利用新形象[N];中国信息报;2003年
9 记者 诸玲珍;发展本土化集成电路设备迫在眉睫[N];中国电子报;2000年
10 ;铜锰合金型磁自旋阀[N];中国有色金属报;2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 魏艳君;磁控溅射SiC薄膜制备及其场发射相关性能研究[D];燕山大学;2010年
2 常学森;基于磁控溅射方法制备二氧化钛薄膜及其亲水特性研究[D];东北大学;2007年
3 张磊;辐照损伤材料的实验模拟研究:含氦薄膜制备及MAX相材料离子辐照行为[D];复旦大学;2011年
4 吴文娟;极紫外和软X射线窄带多层膜的研究[D];同济大学;2007年
5 李竹影;WO_3薄膜及器件的电致变色性能研究[D];华中科技大学;2005年
6 许旻;氧化钒薄膜结构和性能研究[D];兰州大学;2006年
7 刘超卓;含氦钛膜的制备、表征及退火行为研究[D];复旦大学;2007年
8 周玉锋;反应烧结碳化硅基底致密层制备及性能研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
9 万红;TbDyFe薄膜的磁致伸缩性能及其与弹性、压电衬底复合效应研究[D];国防科学技术大学;2005年
10 刘毛;铪基高介电常数栅介质薄膜的制备及其物性研究[D];中国科学院研究生院(合肥物质科学研究院);2007年
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1 王凤丹;玻璃基光刻铬掩膜板的膜系研究[D];合肥工业大学;2005年
2 王强;VLSI工艺中铝互连与蚀刻的研究[D];电子科技大学;2005年
3 何维凤;磁控溅射法制备ZnO透明导电薄膜组织与性能研究[D];江苏大学;2005年
4 杜永胜;全钙钛矿结构磁性隧道结的制备与性能研究[D];北京工业大学;2005年
5 黄伟霞;Mg_xZn_(1-x)O透明导电薄膜的制备及性能研究[D];浙江大学;2006年
6 张世权;磁控溅射法制备二氧化钛半导体薄膜的光致催化和亲水特性研究[D];兰州大学;2006年
7 高坤;近等原子比TiNi合金薄膜的制备与马氏体相变机理的研究[D];西安理工大学;2006年
8 秦丽霞;氨化硅基磁控溅射Ga_2O_3/Co薄膜制备GaN纳米结构和薄膜的研究[D];山东师范大学;2008年
9 张明伟;基于高频声表面波滤波器的AlN/金刚石多层膜制备研究[D];天津理工大学;2008年
10 李小娟;SnO_2材料的第一性原理研究及其薄膜制备[D];燕山大学;2008年
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