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研究生: 李尚偉
論文名稱: 核能結構材料Hi-Nicalon Type-S碳化矽複合材料之三射束輻射效應研究
Triple-Ion Beam Radiation Effect on Hi-Niclon Type-S SiC Composite for Nuclear Structural Materials
指導教授: 開執中
陳福榮
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: 2006
畢業學年度: 94
語文別: 中文
論文頁數: 87
中文關鍵詞: 碳化矽複合材料輻射損傷核融合
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  • 碳化矽/碳化矽複合材料是目前核能材料中最具潛力之一,其性質優異,如:低活性、高溫機械性質佳、輻射穩定性佳、抗腐蝕…等,而本論文的主要目的則是模擬核融合反應器高溫輻射環境,研究Hi-Nicalon Type-S(HNS)碳化矽纖維/碳化矽複合材所受之輻射效應。
    我們利用本校儀器組之加速器建立起『三射束照射系統』,在兩種不同三射束離子能量下:(I) 3.9MeV-Si2+、800keV-He+、280keV-H+;(II) 5.4MeV-Si3+、 740keV-He+、270keV-H+,分別進行了三組及兩組三射束照射實驗,其佈值條件為:(I)800℃/100dpa、1000℃/10dpa、1000℃/100dpa;(II)900℃/10dpa、1000℃/10dpa,其中氦、氫濃度對材料損傷比皆分別為150appm/dpa、60appm/dpa。在這五組照射實驗中,我們皆在基材中發現氦氣泡析出,其分佈型態偏向細小且數量多,這是因為氫擴散速率遠高於氦原子,有效地分散成核點並抑止氦氣泡成長所致;而溫度的提高,使得氦、氫原子及空缺擴散速率提高更容易聚集,不僅有助於氦氣泡析出並會產生粗化效應,使氦氣泡變大但是數量減少。
    而在HNS纖維區中,僅800℃/100dpa照射實驗沒有發現氦氣泡的析出,這是因為纖維晶粒小晶界密度較高,加上纖維中純碳區及孔隙分散氦、氫原子及空缺,抑止氦氣泡的析出,再加上在800℃下氦原子擴散不易,因此纖維中沒有發現氦氣泡析出。在上述實驗中,我們亦發現矽離子分佈與三射束共同效應區重疊,會使得氦氣泡高溫成長不明顯,也許是矽離子形成間隙原子並與空缺再結合,降低整體的材料輻射損傷,無法提供足夠的過飽和空缺來形成氦氣泡。實驗結果亦顯示,在三射束效應下材料微結構易產生劇烈變化,高溫效應更是重大威脅,未來應以更高溫度研究為主,以深入了解其中機制。


    摘要 I 章節目錄 II 圖目錄 IV 表目錄 VII 第一章 研究動機 1 第二章 文獻回顧 3 2-1核融合 3 2-2核能結構材料 5 2-3 碳化矽/碳化矽複合材料 6 2-3.1 碳化矽纖維 7 2-3.2 碳化矽基材 9 2-3.3 界面層 11 2-4 輻射效應 13 第三章 實驗原理與方法 20 3-1 SRIM程式模擬計算 20 3-2 離子佈植照射系統 21 3-2.1 加速器 21 3-2.2入射粒子與靶材之交互作用 22 3-2.3 三射束離子照射系統 23 3-3 照射實驗流程 24 3-4 實驗分析 24 3-4.1 電子顯微鏡原理 24 3-4.2 電子束與物質交互作用 25 3-4.3 電子顯微鏡系統 26 3-4.4 電子槍 27 3-4.5 X-光能量分散光譜儀(EDS) 28 3-4.6電子能量損失能譜儀 29 3-5 TEM試片製備 32 第四章 實驗結果與討論 45 4-1 碳化矽複合材料未照射微結構分析 45 4-1.1 碳化矽纖維(Hi-Nicalon Type-S SiC Fiber) 45 4-1.2 熱分解碳界面層(PyC Interface) 46 4-1.3 碳化矽基材(SiC matrix) 46 4-2 三射束照射之輻射效應分析 47 4-2.1 矽、氦、氫離子三射束照射(I) 48 4-2.1.(a) 800℃三射束即時照射實驗(I) 49 4-2.1.(b) 1000℃三射束即時照射實驗(I) 50 4-2.2 矽、氦、氫離子三射束照射(II) 51 4-2.2.(a) 900℃三射束即時照射實驗(II) 52 4-2.2.(b) 1000℃三射束即時照射實驗(II) 53 4-3 綜合計算比較 54 第五章 結論 79 第六章 未來研究方向 81 參考文獻 82

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