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连续 SiC 纤维增强 SiC 基复合材料（ SiCf/SiC ）因为其优异的高温力学性能、化学惰性、抗辐照性能和中子经济性，被认为是未来先进核能系统燃料包壳和结构部件的理想候选材料。
西北工业大学材料学院李晓强教授团队开展了国产核用SiC纤维在室温、300 ℃和800 ℃辐照行为的原位研究，相关成果以In-situ TEM investigations on the microstructural evolution of SiC fibers under ion irradiation: Amorphization and grain growth为题发表在Journal of the European Ceramic Society上，课题组徐姗姗博士为第一作者，李晓强教授和郑策副教授为共同通讯作者。 本工作得到了国防科工局核能开发项目、国家重点研发计划（ 2022YFB3706000 ）和国家自然科学基金（ 12105226 ， 12175181 ）的经费支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2022.11.029
受制于国产核用 SiC 纤维的研发进度，我国在核用 SiC/SiC 复合材料研究方面起步较晚。在近年来国内成功突破核用 SiC 纤维的关键制备技术的背景下，迫切需要开展相关辐照研究。
关于 SiC 在辐照下发生均匀非晶化还是不均匀非晶化的争论由来已久。特别是 SiC 纤维的临界非晶剂量尚未确定，且受 RBS/C 的空间分辨率限制，暂无法由数据拟合获得 SiC 纤维的非晶模型。与此同时，在临界非晶温度之上， SiC 纤维在辐照下通常经历碳包减少的过程。然而，国产核用 SiC 纤维在辐照下还出现显著的晶粒长大现象，这在国际先进的 HNS 和 TSA3 纤维中从未被报道过。因此，有必要利用原位辐照和 TEM 观察，研究国产核用 SiC 纤维的辐照非晶化和晶粒长大过程，为其他离位表征手段提供直接参考。
针对上述需求，该工作从辐照损伤机理出发，研究了国产核用 SiC 纤维在室温和临界非晶温度以上的辐照损伤行为。研究发现 SiC 纤维在室温下的辐照非晶剂量为 ~2.6 dpa 。其非晶化过程由 β-SiC 纳米晶完全非晶化开始，之后出现碳包溶解的现象，分别如视频 1 和视频 2 所示。 SiC 纤维的非晶化机理如图 3 所示。纳米晶因贫间隙原子区和晶界处大量原子聚集重排而形成非晶包，这些非晶包沿非晶 / 结晶界面扩展，侵蚀晶粒。而碳包所含原子在级联下被剥离，并移动到晶界处或在级联内均匀混合，转变为完全非晶状态。在临界非晶温度以上，实验观察到纳米晶逐渐侵占原属于碳包的位置并长大，如图 4 所示。相应的晶粒长大机理如图 5 所示。晶粒和碳包中的原子通过位移级联和 / 或热激活从其原始位置分离，并积聚在缺陷阱处，导致局部高原子浓度。由于原子浓度梯度作用，这些分离的原子将离开，并向着可以减小 c/a 相能量差、晶界曲率和系统自由能的方向移动，其活动能力由热峰和 / 或高温提供。
该工作首次直接观察到SiC纤维在辐照下的不均匀非晶化和晶粒长大过程，为国产核用SiC纤维及其复合材料的辐照效应研究进一步提供了实验支撑。
图1 国产SiC纤维中纳米晶在室温经800 keV Kr离子辐照的非晶化过程
图2 国产SiC纤维中无序碳包在室温经800 keV Kr离子辐照的溶解过程
图3 国产SiC纤维的非晶化过程。纳米晶因贫间隙原子区和晶界处大量原子聚集重排而形成非晶包，非晶包沿非晶/结晶界面扩展，侵蚀晶粒。碳包所含原子在级联下被剥离，并移动到晶界处或在级联内均匀混合，转变为完全非晶状态。
图4 国产SiC纤维在300 ℃和800 ℃经800 keV Kr离子辐照的STEM-HAADF和BF TEM图像。(a1–a5)为碳包逐渐消失的过程；(b1–b5)和(c1–c5)分别为晶粒在300 ℃和800 ℃侵占原属于碳包位置的过程。
图5 国产SiC纤维的晶粒长大过程。晶粒和碳包中的原子通过位移级联和/或热激活从其原始位置分离，并积聚在缺陷阱处，导致局部高原子浓度。由于原子浓度梯度作用，这些分离的原子将离开，并向着可以减小c/a相能量差、晶界曲率、晶粒/碳包系统自由能的方向移动，其活动能力由热峰和/或高温提供。
李晓强教授是国家级人才，其团队长期从事反应堆结构材料优化制备、评价考核、服役寿命评估和反应堆安全（重大事故预防缓解）的研究。目前牵头承担了国防科工局核能开发项目 ——SiCf/SiC 复合材料 ATF 燃料元件关键技术研究，致力于推动陶瓷基复合材料在先进核能系统中的应用。欢迎具备相关研究背景的博士后和青年人才踊跃加入团队。
*感谢论文作者团队对本文的大力支持。
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