西工大李晓强团队—氦泡在SiC/SiC复合材料中形成的新认识：利用透射电镜原位表征技术和MD模拟研究辐照下氦泡形核、长大的机制

2025-01-06 11:24:43 作者：材料科学和技术来源：材料科学和技术分享至：

第一作者：徐姗姗

通讯作者：李晓强、郑策

通讯单位：西北工业大学

DOI: 10.1016/j.jmst.2024.01.077

01全文速览

本工作设计了纯辐照、纯注氦、同时辐照和注氦（150 appm He/dpa）、先注氦后辐照的原位实验矩阵，并利用原位手段记录SiC/SiC复合材料的氦泡演变过程，研究了空位和He原子的相对浓度对氦泡演化过程的影响及相应机理。同时，利用分子动力学模拟设置不同氦原子和空位相对浓度的体系，为机理研究提供更多依据。

02研究背景

连续SiC纤维增强SiC基复合材料（SiC_f/SiC）因为其优异的高温力学性能、化学惰性、抗辐照性能和中子经济性，在聚变堆的液态包层具有良好的应用前景，我国CFETR也将SiC_f/SiC复合材料列为候选结构材料。材料在聚变堆内服役时，不仅遭受高能中子辐照，而且受到氦等大量嬗变气体的影响。氦与辐照损伤的协同作用，一方面可能导致材料发生脆化，另一方面可能导致构件因氦泡促进的空洞肿胀而出现较大变化。因此，研究氦泡在SiC/SiC复合材料中的演变过程及其影响因素，可以为优化材料的设计制备和对其在服役环境下的准确寿命预测提供支撑。

目前关于SiC_f/SiC复合材料中氦泡的研究主要为氦泡聚集、长大和由此导致的材料宏观肿胀行为，缺乏空位相对浓度和引入节点对氦泡演变的影响和机理研究。基于该现状，西北工业大学材料学院李晓强教授团队开展了国产核用CVI SiC_f/SiC复合材料在嬗变气体和辐照损伤协同作用下辐照行为的原位研究，相关成果以The synergetic effect of He and Kr irradiation on helium bubble evolution in SiC/SiC composite: Combining in-situ TEM observation with MD simulation为题发表在Journal of Materials Science & Technology上。

03图文解析

结果表明，国产SiC纤维内始终未形成氦泡，其微结构演变以碳包尺寸变化为主，而CVI SiC基体在较低注氦量下形成TEM可见的氦泡。基体内的氦泡密度统计结果如图 1所示。在纯注氦条件下，基体的氦泡密度在1200 appm达到饱和；对预注氦样品进行辐照后，基体的氦泡密度迅速增大，此后随着辐照剂量升高而降低；在同时注氦和辐照条件下，基体的氦泡密度持续增大。由于基体柱状晶内的大量层错也可以作为He_nV_m团的形核点，SiC基体内氦泡同时分布在晶界和晶粒内部。而纤维中极高的晶界密度降低了局部He原子浓度，同时纤维发生晶粒长大消耗局部可用空位，造成纤维难以形成TEM可见的氦泡。

为了揭示不同He原子和空位相对浓度对He_nV_m团的影响，进行了分子动力学模拟，其结果如图 2所示。结果表明，He_nV_m团的尺寸在引入空位后显著增大，其中，在先注氦后辐照条件下形成了更多、更大的He_nV_m团。这表明当He原子数量充足时，引入局部空位的相对浓度越高，He_nV_m团的形核和长大越容易发生，更可能发展成TEM可见的氦泡。

图 1 CVI SiC基体在不同原位实验后的氦泡密度。在纯注氦条件下，氦泡密度在1200 appm达到饱和；对预注氦样品进行辐照后，氦泡密度迅速增大，此后随着辐照剂量升高而降低；在同时注氦和辐照条件下，氦泡密度持续增大。

图 2 β-SiC内He_nV_m在不同辐照方式下的演变结果。引入空位后，He_nV_m团的尺寸增大。在先注氦后辐照条件下形成了更多、更大的He_nV_m团，表明当He原子数量充足时，引入的空位相对浓度越高，He_nV_m团形核和长大越容易，更可能发展成TEM可见的氦泡。

针对基体的氦泡密度在先注氦后辐照条件下持续下降的现象，经对个别氦泡的实时跟踪发现，预注氦样品内所含氦泡在辐照下出现先长大后收缩的现象，如图 3所示。氦泡在辐照下收缩的主要原因为碰撞级联和热峰导致氦泡内的He原子容易离开氦泡，此时，氦泡蒸发多余空位并收缩。本工作首次直接观察到SiC基体内氦泡在辐照下的长大和收缩过程，为氦泡形核、长大和收缩全过程进一步提供了实验支撑。

图 3 氦泡在辐照下的长大和收缩过程。预注氦样品内所含氦泡在辐照下出现先长大后收缩的现象，其原因为碰撞级联和热峰导致氦泡内的He原子容易离开氦泡，造成氦泡蒸发多余空位并收缩。

04团队介绍

李晓强教授是国家级领军人才，领导的团队长期从事反应堆结构材料优化制备、评价考核、服役寿命评估和反应堆安全（重大事故预防缓解）的研究，致力于推动陶瓷基复合材料在先进核能系统中的应用。欢迎具备相关研究背景的博士后和青年人才踊跃加入团队。

05致谢

本工作受到国家自然科学基金（项目编号：12105226）和国家重点研发计划（项目编号：2022YFB3706000）的经费支持。

06引用本文

Shanshan Xu, Ce Zheng, Xiaoqiang Li, Ning Gao, Zijing Huang, Jian Zhang, Chong Wei, Cheng Zhang, The synergetic effect of He and Kr irradiation on helium bubble evolution in SiC/SiC composite: Combining in-situ TEM observation with MD simulation, J. Mater. Sci. Technol. 197 (2024) 238-246.