Zr基金属玻璃的强流脉冲离子束辐照损伤研究

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核聚变装置中的材料要经受等离子体辐照、中子辐照和热辐照的作用,尤其是热辐照的影响对材料的性能是一个严苛的考验,研究材料耐瞬态高负荷的影响至关重要。金属钨被认为是最有前途的面向等离子体材料,在载能离子的轰击下,会出现表面开裂、起泡、表面形成绒毛、氚滞留以及反射率下降等问题。而金属玻璃具有各向同性,短程无序的结构,且没有位错、晶界等易引起材料性能恶化的缺陷,被认为有可能抵御聚变环境中辐照引起的损伤。本文利用强流脉冲离子束模拟核聚变装置中的瞬态高热负荷环境,对Zr基金属玻璃和金属钨进行辐照处理,比较辐照前后其结构、表面形貌及性能的变化。强流脉冲离子束成分为Cn+(70%)和H+(30%)、加速电压为250kV,选择不同的能量密度(0.25J·cm-2、0.7J·cm-2、1.4J·cm-2、2.0J·cm-2)和不同的辐照次数(3次、10次、100次、300次)进行辐照。结果表明,Zr基金属玻璃均具有较好的非晶稳定性,在不同参数下的强流脉冲离子束辐照后均保持非晶为主要结构。只有当辐照次数较多(300次)时,Zr金属玻璃表面才出现少量的面心立方相Zr2Ni纳米晶结构。金属钨也具有稳定相结构,不同参数的强流脉冲离子束辐照后均未发生明显的相变。在辐照次数较低且能量密度较低时,钨表面没有出现明显的辐照损伤,当辐照次数达到100次后,金属钨表面晶界处出现了裂纹;当能量密度达到1.4J·cm-2后,金属钨出现了裂纹和脱落等辐照损伤现象。相同参数下的两种Zr基金属玻璃材料表面则没有出现类似的辐照损伤现象。辐照后的金属玻璃和金属钨的纳米硬度随辐照次数和能量密度的增加逐渐降低。在本文的实验条件下,Zr基金属玻璃材料具有比金属钨更好的抗强流脉冲离子束辐照性能。
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