强流脉冲离子束辐照Fe基、Ni基金属玻璃的结构热稳定性研究

发布时间：2020-04-12 01:58

【摘要】：金属玻璃具有短程有序、长程无序的原子排列方式。与传统的晶体结构材料相比,金属玻璃没有晶界、位错等材料内部缺陷,且含有大量的自由体积。金属玻璃有可能成为聚变装置中耐辐照材料的候选材料。然而,金属玻璃的结构热稳定性是制约其应用的关键,其热辐照损伤机理尚不清楚,对金属玻璃进行结构热稳定性的研究很有必要。强流脉冲离子束技术具有高能量、短脉冲等特点,不仅能达到核聚变装置中的离子束辐照效果,而且能很好地模拟聚变装置中的瞬态热负荷效应,非常适合用来研究材料的辐照损伤,特别是对非晶材料结构热稳定性的研究。本文采用加速电压为200-240kV,脉冲宽度90ns,离子束流成分为85%C~(n+)(主要为C~+)和15%H~+的HIPIB辐照金属玻璃Fe_(80)Si_(7.43)B_(12.57)、Ni_(62)Ta_(38),并与目前最具有前景的面向等离子体材料钨进行对比。辐照参数分为两组:A.能量密度为0.2-0.3J/cm~2,脉冲次数为3次、10次、100次、300次;B.脉冲次数为3次,能量密度为0.2-0.3J/cm~2、0.8-1.3J/cm~2、1.6-2.5J/cm~2。分析辐照前后金属玻璃和钨的表面形貌、微观结构和性能的变化,研究Fe基、Ni基金属玻璃的结构热稳定性。X射线衍射表明,不同参数的HIPIB辐照后Fe_(80)Si_(7.43)B_(12.57)金属玻璃仍然保持非晶结构。不同脉冲次数辐照后,金属玻璃的表面形貌没有明显改变,只有当脉冲次数为300次时,Fe基金属玻璃表面出现大量的圆形孔洞及少量的“凸点”。不同能量密度辐照后,表面没有出现明显的辐照损伤。高分辨透射电镜(HRTEM)表明,HIPIB辐照对Fe基金属玻璃近表面原子排列的影响较大;辐照会诱导金属玻璃内部原子的剧烈迁移和聚集,使原子排列变得不均匀;虽然局部存在有序的原子排列,金属玻璃仍然保持非晶结构。辐照后,金属玻璃表面的反射率只有轻微地下降。不同脉冲次数的HIPIB辐照后Ni_(62)Ta_(38)金属玻璃仍然保持非晶结构不变。辐照后在距离金属玻璃表面约700nm深度范围内的原子结构排列更加无序。当脉冲次数增加到300次时,Ni基金属玻璃表面出现少量的“凸点”,没有出现裂纹等辐照损伤现象。“凸点”的形成是由偶然发生的二极管阴极烧蚀现象造成的。随着脉冲次数的增加,钨表面由于抛磨留下的微小凹坑变大。随着能量密度的增加,钨表面出现了大量的裂纹、“火山状”熔坑,甚至脱落现象。不同参数的HIPIB辐照后,钨的衍射峰均向高角度偏移,钨内部存在残余压应力的积累。辐照后钨的表面反射率和纳米硬度均有不同程度的下降。对于金属玻璃,脉冲次数对其结构和性能的影响比能量密度的大;对于晶体材料钨,能量密度比脉冲次数对其结构和性能的影响明显。Fe基、Ni基金属玻璃具有良好的抗热辐照性能和结构热稳定性。这将对聚变装置中耐辐照材料的选择有非常重要的参考价值。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG139.8

【参考文献】