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陶瓷材料中的辐照诱导偏析现象

发布:2020-06-16 15:54:10     来源:电子束与离子束

多晶材料的特性通常受其晶界(GBs)的控制,因为晶界可能成为位错运动的障碍,腐蚀反应的活性位点和溶质原子的扩散通道。因此,晶界的原子结构和化学组成的变化通常会大大改变材料的机械强度,耐腐蚀性,耐辐射性和对放射性裂变产物的不渗透性。辐照诱导偏析(RIS)是在辐射或离子注入下晶界中可能发生的最显着变化之一,并且已在许多金属合金中观察到。在辐照下,通过轰击入射粒子,例如中子和离子,会产生弗伦克尔缺陷。这些缺陷可以相互重组,也可以迁移到缺陷槽(例如表面和晶界处)。在多组分合金中,由于这些缺陷介导的元素扩散率不同,晶界的元素种类通量可能与主体的化学计量不匹配。结果,在晶界附近会堆积或耗尽某些元素。尽管在金属中是众所周知的现象,但目前关于陶瓷中的偏析现象研究较少。

在这项工作中,通过使用STEM和EELS发现了陶瓷中主要成分即SiC中碳的存在辐照诱导偏析现象。在300℃下辐照碳化硅导致在晶界附近的碳富集,而在600℃下辐照时该富集减少。利用理论模型解释了RIS随温度变化的趋势。并通过计算表明,晶界附近的元素比受缺陷迁移能垒和复合垒的控制,从而导致RIS在SiC中的独特温度依赖性。

要点一:通过CVD方法制备的原始SiC中,大角度晶界(HAGB)占据主导。在晶粒内部,碳浓度接近50%,在晶界附近(〜2nm区域内),碳浓度显着降低,边界处的原子浓度最小值为45.8±0.4%。多次测试表明,碳耗尽是大角度晶界的普遍特征,与晶界取向差角无关(表1)。硅和碳元素的ϕ(x)值均在晶界附近下降到1以下,表明晶界处两种元素的原子密度都较低. 且碳元素的ϕ(0)约为83%,硅元素的ϕ(0)约为96%,证明晶界较低的相对碳浓度是由于碳耗尽而不是硅富集引起的。

图1. 原始SiC中晶界的高角度环形暗场影像


图2. 原始SiC晶界附近的碳浓度

表1. 原始SiC晶界的EELS测试

要点二:在300°C时,晶界处碳浓度增加到约48.9±0.6%。但是晶界附近的碳浓度在600°C时再次下降至最小值约47.2±0.7%。碳和硅的ϕ(x)值在300°C辐照的晶界附近均呈现出平稳状态。因此,辐射诱导的碳富集主要是通过碳偏析到晶界而不是通过硅从晶界扩散而引入的。在600°C时,碳元素的ϕ(x)值明显低于硅元素的ϕ(x)值,表明随着辐照温度的升高,碳偏析到晶界的行为得到抑制。表2表明尽管边界错位角有所变化,但在所有的晶界中都观察到相似的RIS,这表明偏析现象与晶界类型无关。

图3. 辐照后的SiC晶界附近的碳浓度


表2. 辐照后SiC晶界的EELS测试

要点三:在辐照过程中,首先,碳间隙原子从晶粒内部的到达晶界速率远高于硅间隙原子,这为晶界附近的碳富集提供了驱动力。第二,碳原子的到达率随着辐照温度Tirr的增加而降低。当Tirr = 300°C时,碳元素的弗伦克尔缺陷的复合被大部分抑制,因此碳原子可迁移至晶界处,晶界表现为碳富集。在Tirr= 600°C时,碳弗伦克尔缺陷的重组变得活跃,所以向晶界的碳通量和偏析减少。第三,碳原子从晶界迁移到其他位置的速度远低于碳原子的到达速度。这是因为沿晶界的间隙扩散比晶粒内部的间隙扩散要慢得多,为偏析提供了必要条件。

文献链接:Wang, X., Zhang, H., Baba, T. et al. Radiation-induced segregation in a ceramic.Nat. Mater. (2020). https://doi.org/10.1038/s41563-020-0683-y

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