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研究生： 耿緒祖
Hsu Tsu Keng
論文名稱： 應用於核融合反應爐壁之Tyranno-SA纖維/碳化矽複合材料輻射效應之研究
指導教授： 開執中
J.J. Kai
陳福榮
Fu Rong Chen
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 原子科學院 - 工程與系統科學系
Department of Engineering and System Science
論文出版年： 2005
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 86
中文關鍵詞： 核融合 、三射束 、碳化矽複合材料 、輻射效應
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    • 本研究主要的目的是針對高熱傳導性、低活性、耐高溫且具有強大的優勢做為核融合反應爐爐壁之碳化矽纖維強化碳化矽複合材料的輻射效應之研究。在800°C的溫度下進行的10dpa/1500appm與100dpa/15000appm雙射束(Si+He)照射實驗，比較發現100dpa的劑量下才在Tyranno-SA纖維中發現氣泡，相信這是因為100dpa的劑量下具有過高的氦原子與空缺濃度，空缺捕獲氦原子而到達晶界來成核成長。繼續比較800°C與1000°C的溫度即時佈植雙射束(Si/He=100dpa/15000appm)的結果發現，1000°C的溫度下，材料中不論是基材或者纖維所析出的氣泡皆比800°C即時佈植實驗所析出的氣泡來的大，因為1000°C的溫度使得捕獲氦原子的空缺更容易移動至晶界來析出氣泡，而且晶界上的氣泡也容易在晶界上移動聚集。
    在完成800°C與1000°C的即時雙射束(He/H=15000/6000appm)之結果發現：不論是800°C或1000°C，皆在Tyranno-SA纖維與碳化矽基材發現氣泡，顯示氫原子的擴散速率比氦原子來的快，促使氫原子到達晶界而增加成核的機會產生氣泡。
    800°C即時三射束(Si/He/H=10dpa/1500appm/600appm)照射實驗下發現，Tyranno-SA纖維與基材亦皆有氣泡析出，文獻上指出：必須高達1000°C的退火溫度下進行三射束(Si/He/H=10dpa/1500appm/ 600appm)照射實驗才會在Tyranno-SA纖維發現氣泡，然而此實驗結果發現800°C就足夠讓纖維中的氫原子幫忙讓氣泡成核而析出。
    根據以上的實驗結果發現：氫原子對於材料有嚴重的影響，所以未來必須在800°C~1000°C進行高劑量(~100dpa)的三射束照射實驗來進行比較，進而瞭解氫原子在材料中的機制，進而改善碳化矽/碳化矽之製程來使其達到應用的目的。

    目錄 章節 頁數 第一章、研究目的---------------------------------------------------------------1 第二章、文獻回顧---------------------------------------------------------------5 2-1 核融合----------------------------------------------------------------5 2-1-1 核融合簡介----------------------------------------------------5 2-1-2 人造核融合----------------------------------------------------7 2-1-3 結構材料-------------------------------------------------------8 2-2 碳化矽複合材料---------------------------------------------------9 2-2-1 碳化矽纖維---------------------------------------------------10 2-2-1.1碳化矽纖維製造----------------------------------------10 2-2-1.2 碳化矽纖維編織法------------------------------------12 2-2-2碳化矽基材---------------------------------------------------13 2-2-3界面層---------------------------------------------------------13 2-2-3.1 適當之界面鍵結強度---------------------------------15 第三章、實驗步驟--------------------------------------------------------------25 3-1離子照射系統----------------------------------------------------25 3-1-1加速器--------------------------------------------------------25 3-1-2入射粒子與靶材之交互作用-----------------------------27 3-1-3 SRIM模擬---------------------------------------------------27 3-2實驗分析設備-----------------------------------------------------28 3-2-1電子束與物質作用-----------------------------------------29 3-2-2電子顯微鏡系統--------------------------------------------30 3-2-3電子槍的結構與特性--------------------------------------31 3-3 電子顯微鏡分析技術-------------------------------------------33 3-3-1 電鏡試片製備方法----------------------------------------33 3-3-2 X-光能量分散光譜儀(EDS)------------------------------35 3-3-3 電子損失能譜儀(EELS)----------------------------------36 第四章、結果討論-------------------------------------------------------------48 4-1 碳化矽/碳化矽複合材料未照射分析-----------------------48 4-2 雙射束照射分析------------------------------------------------49 4-2-1氦、矽離子雙射束照射之輻射效應-------------------50 4-2-1.1 600°C即時氦、矽離子雙射束照射實驗--------50 4-2-1.2 800°C即時氦、矽離子雙射束照射實驗--------51 4-2-1.3 1000°C即時氦、矽離子雙射束照射實驗------52 4-2-2 氦、氫離子雙射束照射之輻射效應------------------52 4-2-2.1 800°C即時氦、氫離子雙射束照射實驗--------52 4-2-2.2 1000°C即時氦、氫離子雙射束照射實驗------53 4-3 三射束照射實驗分析-----------------------------------------53 4-3-1 800°C即時氦、氫、矽離子三射束照射實驗-------54 4-4 退火分析--------------------------------------------------------56 4-5 綜合計算比較--------------------------------------------------56 第五章、結論------------------------------------------------------------------78 第六章、未來實驗方向------------------------------------------------------80 參考文獻------------------------------------------------------------------------81 圖目錄 圖2-1 原子核質量數與平均束縛能的關係圖----------------------------19 圖2-2 具有足夠的動能克服庫倫排斥力進入強作用力----------------19 圖2-3 核融合反應中點燃電漿與維持能量平衡的電漿溫度-品質參數關係圖-------------------------------------------------------------------20 圖2-4 以強磁場約束電漿的托卡馬克結構-------------------------------20 圖2-5 裂縫偏向、纖維與基材間剝離和纖維拉出等強化機制示意圖----------------------------------------------------------------------------21 圖2-6 以化學氣相沈積法製造碳化矽纖維示意圖----------------------22 圖2-7 以聚碳矽烷前軀體製造碳化矽纖維流程製造碳化矽纖維示意圖-------------------------------------------------------------------------22 圖2-8 Hi-Nicalon Type-S纖維與Tyranno-SA纖維性質之比較--------22 圖2-9 基材與纖維之作用力--------------------------------------------------23 圖2-10 碳化矽奈米線強化之碳化矽複合材料機械性質之比較------23 圖2-11 不同界面強度之裂縫延伸模式------------------------------------23 圖2-12多碳層結構與單碳層結構機械強度之比較----------------------24 圖3-1 三射束離子照射系統--------------------------------------------------40 圖3-2 三射束示意圖-----------------------------------------------------------41 圖3-3 三射束真空腔體與三台加速器之相對位置圖--------------------41 圖3-4 9SDH-2串極加速器----------------------------------------------------42 圖3-5 KN范式加速器----------------------------------------------------------42 圖3-6 500keV離子佈植機-----------------------------------------------------42 圖3-7 電子束與材料樣品作用所產生的訊號-----------------------------43 圖3-8 JEM2000FXII------------------------------------------------------------43 圖3-9 JEM2010F----------------------------------------------------------------44 圖3-10 穿透式電子顯微鏡構造圖------------------------------------------44 圖3-11 電子槍的結構---------------------------------------------------------44 圖3-12 橫截面電鏡試片的製備流程---------------------------------45、46 圖3-13 Gatan之離子修薄機(Ion Miller)-----------------------------------46 圖3-14 離子修薄機的修薄原理圖------------------------------------------46 圖3-15 X-光能量分散光譜儀(EDS)液氮裝盛桶--------------------------47 圖3-16 (a) EDS接收試片訊息示意圖 (b)固態X-光偵測器--------------------------------------------------47 圖4-1 Tyranno/SiC複合材料截斷面之SEM圖---------------------------59 圖4-2 Tyranno/SiC複合材料TEM橫截面圖------------------------------59 圖4-3 Tyranno/SiC複合材料SEM圖---------------------------------------60 圖4-4 Tyranno/SiC複合材料纖維的微結構圖-----------------------------60 圖4-5 Tyranno/SiC複合材料基材的微結構圖-----------------------------61 圖4-6 β相之碳化矽結構-------------------------------------------------------61 圖4-7 α相之碳化矽結構------------------------------------------------------62 圖4-8 Tyranno-SA/SiC複合材料界面層微結構圖------------------------62 圖4-9 SRIM軟體模擬佈植濃度、輻射損傷與深度的分佈圖----------63 圖4-10 600°C即時雙射束(Si+He)佈植10dpa的低倍TEM圖--------63 圖4-11 600°C即時雙射束(Si+He)佈植10dpa的基材TEM圖--------64 圖4-12 600°C即時雙射束(Si+He)佈植10dpa的纖維TEM圖--------64 圖4-13 800°C即時雙射束(Si+He)佈植10dpa的低倍TEM圖--------65 圖4-14 800°C即時雙射束(Si+He)佈植10dpa的基材TEM圖--------65 圖4-15 800°C即時雙射束(Si+He)佈植10dpa的纖維TEM圖--------66 圖4-16 800°C即時雙射束(Si+He)佈植100dpa的低倍TEM圖-------66 圖4-17 800°C即時雙射束(Si+He)佈植100dpa的基材TEM圖-------67 圖4-18 800°C即時雙射束(Si+He)佈植100dpa的纖維TEM圖-------67 圖4-19 1000°C即時雙射束(Si+He)佈植100dpa的低倍TEM圖------68 圖4-20 1000°C即時雙射束(Si+He)佈植100dpa的基材TEM圖------68 圖4-21 1000°C即時雙射束(Si+He)佈植100dpa的纖維TEM圖------69 圖4-22 SRIM軟體模擬佈植濃度與深度的分佈圖-----------------------69 圖4-23 800°C即時雙射束(H/He=6000/15000appm)佈植的低倍TEM圖---------------------------------------------------------------------------70 圖4-24 800°C即時雙射束(H/He=6000/15000appm)佈植的基材TEM圖---------------------------------------------------------------------------70 圖4-25 800°C即時雙射束(H/He=6000/15000appm)佈植的纖維TEM圖---------------------------------------------------------------------------71 圖4-26 1000°C即時雙射束(H/He=6000/15000appm)佈植的低倍TEM圖------------------------------------------------------------------------71 圖4-27 1000°C即時雙射束(H/He=6000/15000appm)佈植的基材TEM圖------------------------------------------------------------------------72 圖4-28 1000°C即時雙射束(H/He=6000/15000appm)佈植的纖維TEM圖------------------------------------------------------------------------72 圖4-29 SRIM軟體模擬佈植濃度、輻射損傷與深度的分佈圖---------73 圖4-30 800°C即時三射束(10dpa)佈植的低倍TEM圖------------------73 圖4-31 800°C即時三射束(10dpa)佈植的基材TEM圖------------------74 圖4-32 800°C即時三射束(10dpa)佈植的纖維TEM圖------------------74 圖4-33 1000°C退火67小時的基材TEM圖-------------------------------75 圖4-34 1000°C退火67小時的纖維TEM圖-------------------------------75 表目錄 表3-1 實驗架構----------------------------------------------------------------40 表4-1 本論文的實驗數據總整理-------------------------------------------76 表4-2 EELS厚度量測流程---------------------------------------------------77

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