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研究生： 曾子懷
論文名稱： Hi-Nicalon Type-S纖維/碳化矽複合材料應用於核融合Tokamak結構材料輻射效應之研究
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： 2005
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 88
中文關鍵詞： 氦氣泡 、碳化矽複合材
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    • 本研究主要在於利用穿透式電子顯微鏡，分析Hi-Nicalon Type-S/Py-C/CVI SiC碳化矽複合材料，是否能承受核融合環境之高能輻射損傷及氦氣、氫氣於材料中的核轉化現象，本實驗在清華大學原科中心建立一套三射束照射系統，利用范式加速器(Van de Graaff Accelerator)照射氦原子；離子佈植機(Ion Implantor)照射氫原子；9SDH串級式加速器(9SDH Tandem Accelerator)照射矽離子，且在照射過程中同時給予加熱(800~1000℃)，來模擬核融合環境。照射後分析材料內部變化，並探討氦原子及氫原子在碳化矽複合材的擴散行為，以及三種效應同時存在的效應為何。
    研究結果顯示，分析氦矽離子雙射束效應，氦的確能幫助過飽和空孔聚集而成空泡，使空泡不易和間隙原子結合而縮小，並且隨著長時間高溫高劑量下，氦氣泡聚集越大數目變少，但晶粒內與母材層間皆可發現氣泡，應是長時間退火所造成。
    分析氦氫雙射束效應，在少量的過飽和空孔之下，氣泡明顯地比氦矽雙射束小，多了氫的作用的確幫助氣泡成核，但氫和氦似乎也扮演著同樣之角色，使空泡穩定化之後就不易再讓其他原子進入，因此在分散成核點的情況下，使氣泡小又多。
    分析氦氫矽三射束效應，相較於氦矽雙射束，母材中發現小又多的氣泡，從實驗上來看，其中氫會促進氣泡的數目，也間接抑制氦氣泡成長，但對整體氣泡形成是有幫助的，雖然Hi-Nicalon Type-S/Py-C/CVI SiC在三射束中纖維沒發現氣泡，但卻在另一種碳化矽複合材(Tyranno-SA/Py-C/CVI SiC)纖維中發現氣泡，所以比起氦矽雙射束，三射束輻射效應下使氣泡更容易成核。

    目 錄 一、研究動機與簡介…………………………………………1 1-1能源開發的重要~核融合……………………………………..1 1-2目前磁性聚合式核融合開發現況和瓶頸……………………2 1-3使用SiC/SiC當結構材料……………………………………4 1-4實驗方法簡介~模擬核融合之輻射效應……………………..4 二、文獻回顧………………………………………………….6 2-1核融合反應簡介……………………………………………….6 2-2 Tokamak與Lawson's criterion……………………………7 2-3結構材料……………………………………………………….7 2-4-1碳化矽纖維之種類………………………………………….10 2-4-2碳化矽纖維編織方式的影響……………………………….11 2-4-3界面層……………………………………………………….12 2-6碳化矽母材製程………………………………………………14 2-7輻射效應對碳化矽複合材料之影響…………………………16 三、實驗原理與方法………………………………………….27 3-1SRIM模擬………………………………………………………27 3-2照射系統………………………………………………………28 3-2-1加速器(Accelerator)………………………………...28 3-2-2三射束管線和真空腔體……………………………….29 3-3照射流程………………………………………………………30 3-4實驗分析………………………………………………………30 3-4-1電子顯微鏡原理………………………………………30 3-4-2電子顯微鏡構造………………………………………31 3-4-3 X-光能量分散光譜儀(EDS)……….………………….32 3-4-4 TEM試片製備……….…………………………………33 3-4-5離子減薄機PIPS……………………………….……..34 3-4-6電子損失能譜儀…………………………….………...34 四、實驗結果與討論…………………………………………46 4-1 Hi-Nicalon Type-S/Py-C/CVI SiC結構分析……………..46 4-2高溫退火後的結構分析………………………………………48 4-3氦矽離子雙射束之輻射效應…………………………………48 4-4氦氫離子雙射束之輻射效應…………………………………51 4-5氦氫矽離子三射束之輻射效應………………………………53 4-6實驗結果計算…………………………………………………55 4-7氣泡密度之計算………………………………………………56 五、結論………………………………………………………81 六、未來研究方向…………………………………………….82 參考文獻………………………………………………………83 圖目錄 圖2-1合成一氦核所放出之結合能……………………………………18 圖2-2原子核質量數與平均束縛能的關係圖…………………………18 圖2-3數種核融合反應之反應截面與溫度的關係圖…………………19 圖2-4 Tokamak電漿、磁場示意圖……………………………………19 圖2-5勞森條件的平衡區(breakeven)及點燃區(ignition)示意圖..20 圖2-6 ARIES-I Tokamak裝置結構圖………………………………….20 圖2-7三種複合材強化機制……………………………………………21 圖2-8以聚碳矽烷合成碳化矽纖維流程圖……………………………22 圖2-9高溫熟化與電子熟化之纖維熱處理後的比較…………………22 圖2-10不同纖維之高溫拉伸強度比較……………………………......23 圖2-11複合材纖維的編織法………………………………………….23 圖2-12 (a)纖維/界面層之界面強度弱與(b)強時的裂縫行為……...24 圖2-13恆溫化學氣相沉積法…………………………………………24 圖2-14壓力驅使-溫度梯度氣相沈積法…………………………..…25 圖2-15 沃斯田鐵不□鋼破裂延性對應不同溫度照射………………25 圖3-1范式加速器………………………………………………………37 圖3-2串級式加速器……………………………………………………38 圖3-3離子佈植機………………………………………………………38 圖3-4三射束系統………………………………………………………39 圖3-5加熱系統…………………………………………………………40 圖3-6高溫中的鉬試片座…………………………….………….……..40 圖3-7試片座示意圖……………………………………………………41 圖3-8表面拋光後確保照射深度分佈一致……………………………41 圖3-9碳化矽複合材料中氦、氫原子產量及其產量與損傷程度的比例隨厚度變化關係圖……………………………………………………..42 圖3-10電子與試片作用後的訊息…………………………………….42 圖3-11場發射穿透式電子顯微鏡示意圖……………………….…....43 圖3-12 (a)試片、偵測器位置關係圖(b)EDS偵測器構造示意圖…..44 圖3-13 TEM試片製備流程…………………………………….…….....45 圖4-1 1D Hi-Nicalon Type-S複合材掃瞄式電子顯微鏡圖…..…….57 圖4-2 Hi-Nicalon Type-S纖維束穿透試電子顯微鏡圖…………….57 圖4-3(a)Hi-Nicalon Type-S纖維內部結構(b)纖維間純碳區……..58 圖4-4非晶碳界面層……………………………………………….…...59 圖4-5碳化矽柱狀晶基材………………………………………...…….59 圖4-6碳化矽基材層間小孔隙…………………………………..……..60 圖4-7碳化矽結構介紹…………………………………………………61 圖4-8α碳化矽晶粒……………………………………………………62 圖4-9β碳化矽晶粒…………………………………………………....63 圖4-10高溫退火67小時後(a)纖維(b)碳界面層(c)母材微結構…..64 圖4-11 SRIM模擬氦矽雙射束佈植濃度和輻射損傷與深度分佈…….65 圖4-12纖維中輻射損傷與氦原子濃度隨深度變化圖………………..66 圖4-13母材中輻射損傷與氦原子濃度隨深度變化圖…………….…66 圖4-14 600°C 氦矽1500appm/10dpa(a)纖維(b)母材微結構…...…..67 圖4-15 800°C 氦矽1500appm/10dpa(a)纖維(b)母材微結構…….…68 圖4-16 800°C 氦矽15000appm/100dpa(a)纖維(b)母材微結構…….69 圖4-17 1000°C 氦矽15000appm/100dpa(a)纖維(b)母材微結構…...70 圖4-18 SRIM模擬氦氫雙射束佈植濃度與深度分佈圖……………….71 圖4-19纖維中氦原子與氫原子濃度隨深度變化圖…………………..72 圖4-20母材中氦原子與氫原子濃度隨深度變化圖…………………..72 圖4-21 800°C 氦氫15000appm/6000appm(a)纖維(b)母材微結構…73 圖4-22 1000°C 氦氫15000appm/6000appm(a)纖維(b)母材微結構...74 圖4-23 SRIM模擬氦氫矽三射束佈植濃度與輻射損傷與深度分佈….75 圖4-24纖維與母材氦、氫原子濃度及輻射損傷隨厚度變化圖……..75 圖4-25 800°C 氦氫矽1500appm/600appm/10dpa(a)纖維(b)母材微結構圖……………………………………………………………………..76 圖4-26計算厚度之流程圖……………………………………………..78 表目錄 表2-1不同碳化矽纖維之比較…………………………………………26 表3-1實驗架構…………………………………………………………37 表4-1實驗結果整理……………………………………………………79

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