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开题报告全文与文献综述(BY1119120俞坚钢)

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  • 上传时间:2017-05-28
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    • 1、 北京航空航天大学研究生 开题报告与文献综述 学生姓名: 俞坚钢 专 业: 凝聚态 物理学 学号: BY1119120 指导教师: 朱开贵 开题日期: 北京航空航天大学研究生 开 题 报 告 论文题目: 钨薄 膜材料 的 氢氦等离子体 辐照效应研究 学生姓名: 俞坚钢 专 业: 凝聚态 物理学 学 号: BY1119120 指导教师: 朱开贵 开题日期: 第 1 页 共 10 页 一、论文选题 依据 ( 论文选题的意义、国内外研究现状分析等 ) 能源是人类社会文明发展的根本基础。 许多人认为要想最终解决人类的能源问题,必须大规模的发展核能。核能是大家公认的最具希望的未来能源 1。人们开发核能的途径有两条:一是重元素的裂变,如铀的裂变,即裂变能;二是轻元素的聚变,如氘、氚、锂等,即聚变能。 与核裂变能相比,核聚变能具有安全无污染等 优点,并且聚变需要的主要元素氘,在海水中大量存在,可以认为是取之不竭,因此被认为是人类未来发展最合适的能源。为实现核聚变而提出的受控热核聚变反应装置 托卡马克装置( Tokamak)到现在已经有了数十年的发展。但是由于核聚变环境过于苛刻,技术复杂 ,仍有一些关

      2、键问题急需解决 2,等离子体与壁材料相互作用( PWI)就是目前托卡马克中的关键问题之一。 等离子体与壁材料的相互作用( PWI)是指:由于磁场对等离子体约束的不完全性,一些带电粒子会由于碰撞、反常输送等机制在垂直于磁面方向上作漂移和扩散运动,直至接触器面 并与其发生作用,另外,中性粒子、中子、光子不受磁场约束,直接作用到器壁上。 PWI 是不可避免的,同时,它也是实现聚变能与氦灰排出的必要条件。 PWI 大致分为两个方面,一方面粒子流(离子、电子、中性粒子、中子、高能逃逸电子、光子和射线等)和伴随的能量流轰击器壁,造成第一壁材料损伤。另一方面,粒子流和能量流轰击器 壁产生杂质,杂质进入主约束区对等离子体约束和其品质产生不利影响 3。等离子体与第一壁相互作用过程中,第一壁在承受高热负荷和粒子通量产生杂质的同时,将会发生一系列材料损伤,主要表现为:第一、面向等离子体材料 ( PFM)的溅射腐蚀和热腐蚀,如局部烧蚀、融化、开裂和热疲劳等,以及带电粒子、中性粒子、中子和光子轰击引起的表面起泡和表面的喷射等现象。溅射腐蚀将会使得 PFM 发生减薄,这是面向等离子体部件( PFC)的使用寿命受到

      3、限制的主要因索之一。而蒸发和熔化(金属类 PFM 在重力和电磁力作用下会使熔融层流失)将会进一步缩短 PFC 的使用寿命。第二、辐照损伤,分为表面损伤和体损伤两种 :表面损伤主要有带电粒子、中性原子和光子轰击引起,表面损伤的主要形式有表面溅射、表面起泡和蒸发等现象,从聚变装置的角度来看,表面损伤的主要危害是造 成对等离子体的杂质污染。造成材料本身损害、缩短其使用寿命的主要因素是体损伤。体损伤主要是中子引起的,中子在材料中引起的两种基本物理过程是原子位移和核反应。主要损伤形式有材料活化肿胀、引起力学性质和物理性质变化等 4这种损伤对材料整体产生损害 ,使其性能退化,并缩短了 PFC 的使用寿命。 目前研究的 PFM 主要包括两类:低 Z(原子序数)材料和高 Z 材料。低 Z 材料有碳基材料 (石第 2 页 共 10 页 墨、碳化硅和碳化硼、 C/C 复合材料 )、铍、硼、锂、铍等,高 Z 材料主要有钨、钼等。 W 材料具有高熔点、低物理溅射率、不与 H 发生化学刻蚀以及低的 H 滞 留等优点,而且 W 与核聚变中的等离子体有良好的兼容性。因此,钨基材料被视为未来托卡马克 /聚变堆中最可能

      4、全面使用的 PFM5。钨涂层作为 PFM 已经成功应用于 ASDEX-Upgrade 托卡马克装置中,涂层率达到 65%6。ASDEX-Upgrade 实验表明第一壁和偏滤器表面大部分覆盖 W 对于等离子体的运行是可行的。一个全 W 的偏滤器装置已经在 ILW( ITER-like wall)计划中实施,并作为 ITER 偏滤器的备选方案之一 7。 尽管 W 有着诸多适宜 PFM 应用的优点,但是目前仍难以满足聚变反应堆苛刻的等离子体环境 要求。一方面, W 的韧脆转变温度( DBTT)通常在 373K673K,当温度低于此温度时,材料表现出低温脆性,导致其加工十分困难。同时, W 的重结晶温度范围是 1423K1623K,当温度超过重结晶温度时,晶粒尺寸增加, DBTT 上升,高温强度下降,低温脆性增加 8,9。在托卡马克装置中,作为偏滤器其表面温度在 700K 到 1600K 之间,高于它的韧脆转变温度而达到了再结晶温度,增加了材料发生断裂破坏的可能性 10。另一方面,在聚变等离子体环境下, H/He 等离子体进入到钨内部后,会在结构缺陷中聚集,并最终长大成泡,造成钨材料力学和热学

      5、性能下降的同时改变钨的表面形貌,增大溅射蒸发的可能性,威胁托卡马克的安全稳态运行 11-14。因此,作为 PFM, W 的力学性能和抗辐照性能还有待提高,改善和提高 W 的性能成为 PFM 设计和制备的重要问题。 针对钨面向等离子体材料存在的关键问题,主要从下列途径去改善。一、减小自溅射。减小自溅射主要从减低自溅射系数,只要控制离子的入射能量小于 100 eV,就能有效解决此问题。再者就是控制等离子体边缘的温度在钨发生物理溅射的临界温度以下,从而大幅度降低钨的溅射产额,这一问题目前已经有效手段解决了。二、克服脆性。钨的脆性主要有再结晶脆性和辐照脆性。解决这个问题主要 通过加入合金化元素或化合物来达到增强晶界、增加穿晶解理断裂的面积 15、抑制重结晶的程度和细化晶粒的作用,从而提高钨的力 学性能和获得某些的物理性能。例如,钨中加入铼(Re)、 TiC 或 ZrC 等碳化物能提高钨的强度和高温力学性能 16, 17,稀土氧化物 ( Y2O3、 CeO、 La2O3、ThO2) 能显著细化晶粒和提高钨合金的穿甲和自锐化能力,并且也具有弥散强化效应,在抑制晶粒长大、控制再结晶晶粒的形状以及提高

      6、材料的力学性能方面效果显著。 超细晶纳米晶 W 的开发可能 成为解决聚变堆 W 基材料问题的重要途径。近些年超细晶纳米晶金属领域的研究发现,一方面,超细晶纳米晶材料较多晶材料展现出更优异的延展性能,即材料的韧性提高 18;另一方面,纳米材料表现出很好的抗辐照肿胀和抗辐照脆化性能 19,20,纳米材料自修复机制的发现更为纳米材料的抗辐照性能提供了理论依据 21。因此,通过适当的方法获得超细晶纳米晶 W 将提升 W 的延展性能和抗辐照性能,即改善 W 的脆化行为,拓展其使用条件范围,从而可能满足聚变堆 PFM应用的要求。 第 3 页 共 10 页 目前,真空等离子体喷涂 VPS(Vacuum Plasma Spray)、物理气相沉积 PVD(Physical Vapor Deposition) 和 化 学 气 相 沉 积 CVD(Chemical Vapor Deposition) 技术被广泛应用于钨涂层的制备。应用这些技术虽然已经在各种基体材料上获得了较好性能的金属钨涂层 22-24,但是人们也在不断地寻找成本更加低廉、设备要求更加简单的技术来获得同样性能或更好性能的钨涂层。一种可选的延

      7、缓起泡和剥落的方法是使用晶粒大小在纳米尺度的材料,称作为纳米材料 25。这些材料在辐照中的行为很大程度上被大 密度的晶界控制的:( 1)常温中弗伦克尔湮灭中心(自修复行为) 26,27以及( 2)轻元素的钉扎中心 28。这两个因素将驱使推迟(剂量变高)过饱和压气泡形成。此外,据 Von Toussaint29报道 H 在晶界中的捕获能小于在离子感生缺陷,晶界更有利 H 原子释放,就像一个更有效的扩散通道。轻元素尤其是 H 在纳米结构材料中不会被充分的解决,尤其是从目前的实验结果来看。实际上大多数现有的结论可以从小数目的原子和小数量的理想晶界的计算模拟中推断出来 30。因为模型和真实纳米结构在微结构和缺陷组态(结构)方面有很 大的不同,所以计算模拟的结果需要被仔细的验证。另一方面辐照下纳米结构材料是由金属基体内嵌氧化物纳米杂质为主(氧化物弥散强化) 31-33。在这些系统中有大量发生在晶界的不同现象比如相偏析和化学键合。为了更好的理解晶界对辐照行为的作用, 有人 34对包含了不相融合的纯元素多层膜进行沉积和研究。得到的结果显示出界面在缺陷减少方面扮演着一定的作用。 H.Maier 早在

      8、2001 年 35就用磁控溅射法在轴对称编滤器实验托卡马克装置( Axially Symmetric Divertor Experiment, ASDEX)的第一壁材料 石墨片上镀制 3 微米厚度的钨膜来进行核聚变反应堆的抗热冲击实验。实验显示在 11.7MW/m2的热功率下 W 薄膜会发生碎裂,表面最高温度为 1635摄氏度;此外还对 W 薄膜与基片的附着力进行了一些总结:实验发现使用的石墨基片需要经过沉积前的等离子预清洗才可以得到超过 3 微米厚而不脱落的 W 薄膜,否则 W 薄膜厚度超过 1 微米就会自行剥落。 2002 年 Thomas36在不锈钢基底上用 PVD 方法镀制了 30 微米厚的 W 薄膜;并且测量了薄膜的织构和残余应力,发现当膜层厚度增加时残余应力会减少,这与织构有一定的 关系。 2005年 I. Bizyukov 和 K.Krieger37为了研究核聚变环境中 W 的再沉积过程,在用磁控溅射方法在石墨偏上制备了以 400nm 的 Cu 为缓冲层 200nm 厚度的 W 薄膜 。研究发现当制备的 W 薄膜未经过退火处理时,用能量为 9keV 剂量为 1022D/m

      9、2 的 D 离子轰击 W 薄膜表面会发生起泡现象,而经过 800 摄氏度退火处理后的 W 薄膜因为出去应力的原因所以再经过相同辐照条件后表面就不会发生起泡现象。因此可以得出通过热处理后的 W 薄膜由于应力减少可以提高抗起泡的辐照剂量。 2007 年德国普马研究所的 C Ruset38等人采用了一种叫做磁控离子联合溅射( Combined Magnetron Sputtering 第 4 页 共 10 页 and Ion Implantation, CMSII)的方法,在碳复合材料上镀制了厚度达到 10 微米以上具有( 200)的择优取向的 W 薄膜,并对薄膜进行了热负荷冲击实验。 2011 年的德国普马研究所的 O. V. Ogorodnikova 等人 39研究了不同的 W 材料(轧制块体 W、等离子喷涂 W、 CMSII 的 W)在 D、He 辐照下的滞留特性。研究发现: He 掺杂 D 的辐照中, He 团簇的存在会有应力场阻碍 D 的扩散从而抑制感 生缺陷的产生,抑制泡的产生。在 23 次方剂量下,由于 D 会被近表面的 He 团簇捕获导致 He 掺杂会增加 D 滞留;当剂量大于 23 次方时 D 滞留量反而会下降是因为 He 团簇的应力场会抑制 D 的扩散。而 W 涂层和 W 膜对此影响比块体 W 要小。在国内还有兰州物化所的王鹏 40,41也在用磁控溅射法制备厚度在 110 微米的 W 薄膜,并进行了低能大束流的 D 辐照,文章指出起泡的位置既不在 W 薄膜内部也不在薄膜与界面处,而是在基底与薄膜形成外延生长的第一层晶粒边界上。这是说明低能的 H 会沿着晶界

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