Fe基金属玻璃的耐辐照性能研究进展
发布时间：2021-03-31 03:25
Fe基金属玻璃具有长程无序结构且内含大量的自由体积,相较于传统耐辐照晶体金属具有不同寻常的结构优势,且由于其具有较低的加工成本、超高的强度、较好的软磁性能与较宽的过冷液相区等优良的理化性质,而得到研究人员的密切关注,被认为或可以作为面向等离子体候选材料应用于聚变装置中,因而关于其耐辐照性能的研究得到了广泛开展。团簇加连接原子模型可以指导金属玻璃组分的设计,获得具有更高玻璃形成能力的Fe基金属玻璃,且具有更大负混合焓的组分原子可以提升金属玻璃的晶化开始温度,为突破尺寸限制以及提高Fe基金属玻璃的稳定性提供了一条崭新的思路。从团簇加连接原子模型设计金属玻璃的角度简述了本课题组研究的两种成分的Fe基金属玻璃Fe80B13Si7及Fe68B25Zr7的选择依据,同时根据国内外研究现状,总结了在离子束辐照下,Fe基金属玻璃的结构、表面形貌、磁性能以及光学性能的变化,探究了其辐照损伤的形成机制,并浅析了Fe基金属玻璃具有较好的耐辐照性能的原因,为其应用于聚变堆环境作为...
【文章来源】：表面技术. 2020,49(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
金属玻璃的原子结构模型[42]
近年来，在高GFA技术要求的驱动下，合成了多种Fe基大块玻璃态合金。Fe基金属玻璃形成的临界尺寸可以达到厘米量级，如图2a所示。通常情况下，较高玻璃化转变温度Tg、晶化开始温度Tx和较宽过冷液体相区ΔTx的金属玻璃有较大的临界尺寸和较好的结构稳定性。与其他Fe基大块玻璃态合金相比，FeB基金属玻璃的Tx和Tg最高，ΔTx最宽（如图2b），被认为具有最好的热稳定性[43]，作为耐辐照环境中的备选材料有较好的应用前景。耿遥祥等人[44]依据最大体原子密度和孤立度原则，从Fe-B二元平衡相图出发[31]，确定出Fe-B二元理想非晶合金的主团簇为[B-B2Fe8]Fe，并以此为基础，成功设计出具有较强GFA的Fe-B二元合金成分为Fe75B25；选择与Fe有较大负混合焓的Si替代团簇中心B原子，进一步考虑元素间混合焓和电子浓度的影响，确定出具有最强GFA和最高热稳定性的Fe-B-Si三元理想非晶合金的主团簇式为[Si-B2Fe8]Fe[31]，进而得到具有最佳GFA和最高热稳定性的三元合金的成分为Fe75B16Si9[31]。以理想团簇[Si-B2Fe8]Fe为基础，提高Fe原子含量时，多余的Fe原子很难进入团簇[Si-B2Fe8]Fe中，该研究引入的“双团簇”局域结构模型[Si-B2Fe8]Fe和[Fe-Fe14]x/15Fe(x=1～3）很好地解释了非晶合金局域结构的不均匀性[31]。此外，选择与B有较大混合焓的Zr部分替代团簇壳层位置的Fe，同样设计出FeBZr三元非晶合金的理想团簇为[B-B2Fe8-xZrx]Fe(x=0～0.6），随着Zr含量的增加，FeBZr的玻璃化转变温度增大，玻璃态合金的最大尺寸出现在x=0.4时，最高的玻璃化转变温度Tg和晶化开始温度Tx出现在x=0.6时[34]。
离子轰击伴随着的大量能量沉积能够增强Fe基金属玻璃中的原子扩散，形成大量的原子离位或迁移，驱使其向着更加稳定的状态重新排列，长程无序发生变化，形成纳米晶，且纳米晶的种类受金属玻璃结构与入射离子种类、能量等辐照参数的影响。Nagase等人[45]在电子辐照下，观察到三元非晶合金FeBZr中形成了bcc结构的α-Fe相、金属间化合物，与非晶基体共同组成了纳米复合结构（如图3a所示）。Luo等人[17]发现在Ar离子辐照剂量达到3×1015 ions/cm2时，Fe基金属玻璃中会形成fcc相的纳米晶。Li等人[24]用Xe离子束辐照Fe-Ti-Nb多层膜，在不同的辐照剂量下观察到辐照诱导相分离的bcc结构的α-Fe相。针对非晶中辐照诱导的纳米晶的形成，研究人员对离子辐照独特的能量加载过程中Fe基金属玻璃的结晶动力学也进行了深入的研究，目前有三种机制（如图3b所示）可以解释辐照所引起的结晶。第一种机制是通过引入自由体积和反自由体积的类缺陷来增加非晶相的自由能；第二种机制是由过量体积的损失导致局部应变的减少，在上述类缺陷点附近偶然形成纳米尺度晶体区域；最后一种机制与辐照损伤引起的原子扩散增加有关[46]。Tang等人[18]研究了Ar离子辐照时Fe基金属玻璃结晶动力学随辐照剂量的演化，发现离子轰击引起的原子扩散会诱发结构弛豫，且其扩散距离随轰击时间的延长而增加，带来初次晶化；辐照会降低初次晶化过程的表观活化能（如图3c所示），但对二次晶化过程的活化能没有明显影响，这归因于晶化过程中，Fe(Si）相通过原子迁移从非晶中析出，导致的原子重排能够获得由Fe(Si）纳米微晶和参与非晶相组成的相似微观结构，从而成功消除离子轰击对微观结构的影响；Fe基金属玻璃析出α-Fe(Si）晶化相的过程中，晶化机理以一维/二维生长为主导，成核率下降后转为由三维生长主导。离子辐照诱发了Fe基金属玻璃结构发生演化，同时由级联碰撞带来的大量原子移位会在金属玻璃中形成类缺陷。Xu等人[47]研究了Fe79B16Si5金属玻璃在离子束辐照下缺陷的形成，观察到低能He离子辐照时，金属玻璃FeBSi中没有形成类空位型缺陷以及可观察的He泡，而经过中等能量的He离子辐照后，Fe基金属玻璃中出现了空位型缺陷，且能够观察到He泡（如图4a），说明He泡的形成与金属玻璃中空位型缺陷的形成和迁移有关。另外，这一团队还观察了He和D离子辐照下FeBSi金属玻璃中的原子吸附，得到He原子的吸附能力强于D原子，D离子预辐照不会对He原子的吸附产生影响，而He离子预辐照能够增强D原子的吸附[48]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fe-B-Si-Nb块体非晶合金的成分设计与优化[J]. 耿遥祥,王英敏,羌建兵,董闯,汪海斌,特古斯. 金属学报. 2016(11)
[2]基于团簇+连接原子模型的Fe-B-Si-Ta块体非晶合金的成分设计[J]. 耿遥祥,韩凯明,王英敏,羌建兵,王清,董闯,张贵锋,特古斯,HAüSSLER Peter. 金属学报. 2015(08)
[3]用于第一镜表面的金属玻璃薄膜研究[J]. 公发全,文静,谭彦楠,牟宗信,周徐洋,刘万发,董闯. 强激光与粒子束. 2014(10)
[4]无序材料中的待解之谜——金属玻璃研究进展[J]. 李彦灼,汪卫华. 自然杂志. 2013(03)
[5]聚变堆第一镜材料块体金属玻璃表面特性[J]. 文静,董闯,公发全,牟宗信,罗灵杰,赵亚军,羌建兵,王英敏. 强激光与粒子束. 2011(12)
[6]金属玻璃研究简史[J]. 汪卫华. 物理. 2011(11)
博士论文
[1]Fe-B-Si系非晶/纳米晶合金的成分设计及性能研究[D]. 耿遥祥.大连理工大学 2015
本文编号：3110690
【文章来源】：表面技术. 2020,49(05)北大核心EICSCD
【文章页数】：13 页
【部分图文】：
金属玻璃的原子结构模型[42]
近年来，在高GFA技术要求的驱动下，合成了多种Fe基大块玻璃态合金。Fe基金属玻璃形成的临界尺寸可以达到厘米量级，如图2a所示。通常情况下，较高玻璃化转变温度Tg、晶化开始温度Tx和较宽过冷液体相区ΔTx的金属玻璃有较大的临界尺寸和较好的结构稳定性。与其他Fe基大块玻璃态合金相比，FeB基金属玻璃的Tx和Tg最高，ΔTx最宽（如图2b），被认为具有最好的热稳定性[43]，作为耐辐照环境中的备选材料有较好的应用前景。耿遥祥等人[44]依据最大体原子密度和孤立度原则，从Fe-B二元平衡相图出发[31]，确定出Fe-B二元理想非晶合金的主团簇为[B-B2Fe8]Fe，并以此为基础，成功设计出具有较强GFA的Fe-B二元合金成分为Fe75B25；选择与Fe有较大负混合焓的Si替代团簇中心B原子，进一步考虑元素间混合焓和电子浓度的影响，确定出具有最强GFA和最高热稳定性的Fe-B-Si三元理想非晶合金的主团簇式为[Si-B2Fe8]Fe[31]，进而得到具有最佳GFA和最高热稳定性的三元合金的成分为Fe75B16Si9[31]。以理想团簇[Si-B2Fe8]Fe为基础，提高Fe原子含量时，多余的Fe原子很难进入团簇[Si-B2Fe8]Fe中，该研究引入的“双团簇”局域结构模型[Si-B2Fe8]Fe和[Fe-Fe14]x/15Fe(x=1～3）很好地解释了非晶合金局域结构的不均匀性[31]。此外，选择与B有较大混合焓的Zr部分替代团簇壳层位置的Fe，同样设计出FeBZr三元非晶合金的理想团簇为[B-B2Fe8-xZrx]Fe(x=0～0.6），随着Zr含量的增加，FeBZr的玻璃化转变温度增大，玻璃态合金的最大尺寸出现在x=0.4时，最高的玻璃化转变温度Tg和晶化开始温度Tx出现在x=0.6时[34]。
离子轰击伴随着的大量能量沉积能够增强Fe基金属玻璃中的原子扩散，形成大量的原子离位或迁移，驱使其向着更加稳定的状态重新排列，长程无序发生变化，形成纳米晶，且纳米晶的种类受金属玻璃结构与入射离子种类、能量等辐照参数的影响。Nagase等人[45]在电子辐照下，观察到三元非晶合金FeBZr中形成了bcc结构的α-Fe相、金属间化合物，与非晶基体共同组成了纳米复合结构（如图3a所示）。Luo等人[17]发现在Ar离子辐照剂量达到3×1015 ions/cm2时，Fe基金属玻璃中会形成fcc相的纳米晶。Li等人[24]用Xe离子束辐照Fe-Ti-Nb多层膜，在不同的辐照剂量下观察到辐照诱导相分离的bcc结构的α-Fe相。针对非晶中辐照诱导的纳米晶的形成，研究人员对离子辐照独特的能量加载过程中Fe基金属玻璃的结晶动力学也进行了深入的研究，目前有三种机制（如图3b所示）可以解释辐照所引起的结晶。第一种机制是通过引入自由体积和反自由体积的类缺陷来增加非晶相的自由能；第二种机制是由过量体积的损失导致局部应变的减少，在上述类缺陷点附近偶然形成纳米尺度晶体区域；最后一种机制与辐照损伤引起的原子扩散增加有关[46]。Tang等人[18]研究了Ar离子辐照时Fe基金属玻璃结晶动力学随辐照剂量的演化，发现离子轰击引起的原子扩散会诱发结构弛豫，且其扩散距离随轰击时间的延长而增加，带来初次晶化；辐照会降低初次晶化过程的表观活化能（如图3c所示），但对二次晶化过程的活化能没有明显影响，这归因于晶化过程中，Fe(Si）相通过原子迁移从非晶中析出，导致的原子重排能够获得由Fe(Si）纳米微晶和参与非晶相组成的相似微观结构，从而成功消除离子轰击对微观结构的影响；Fe基金属玻璃析出α-Fe(Si）晶化相的过程中，晶化机理以一维/二维生长为主导，成核率下降后转为由三维生长主导。离子辐照诱发了Fe基金属玻璃结构发生演化，同时由级联碰撞带来的大量原子移位会在金属玻璃中形成类缺陷。Xu等人[47]研究了Fe79B16Si5金属玻璃在离子束辐照下缺陷的形成，观察到低能He离子辐照时，金属玻璃FeBSi中没有形成类空位型缺陷以及可观察的He泡，而经过中等能量的He离子辐照后，Fe基金属玻璃中出现了空位型缺陷，且能够观察到He泡（如图4a），说明He泡的形成与金属玻璃中空位型缺陷的形成和迁移有关。另外，这一团队还观察了He和D离子辐照下FeBSi金属玻璃中的原子吸附，得到He原子的吸附能力强于D原子，D离子预辐照不会对He原子的吸附产生影响，而He离子预辐照能够增强D原子的吸附[48]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Fe-B-Si-Nb块体非晶合金的成分设计与优化[J]. 耿遥祥,王英敏,羌建兵,董闯,汪海斌,特古斯. 金属学报. 2016(11)
[2]基于团簇+连接原子模型的Fe-B-Si-Ta块体非晶合金的成分设计[J]. 耿遥祥,韩凯明,王英敏,羌建兵,王清,董闯,张贵锋,特古斯,HAüSSLER Peter. 金属学报. 2015(08)
[3]用于第一镜表面的金属玻璃薄膜研究[J]. 公发全,文静,谭彦楠,牟宗信,周徐洋,刘万发,董闯. 强激光与粒子束. 2014(10)
[4]无序材料中的待解之谜——金属玻璃研究进展[J]. 李彦灼,汪卫华. 自然杂志. 2013(03)
[5]聚变堆第一镜材料块体金属玻璃表面特性[J]. 文静,董闯,公发全,牟宗信,罗灵杰,赵亚军,羌建兵,王英敏. 强激光与粒子束. 2011(12)
[6]金属玻璃研究简史[J]. 汪卫华. 物理. 2011(11)
博士论文
[1]Fe-B-Si系非晶/纳米晶合金的成分设计及性能研究[D]. 耿遥祥.大连理工大学 2015
本文编号：3110690
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/3110690.html
教材专著
