【摘要】 深度解析质子辐照对CVD碳化硅与烧结SiC热导率的影响机制，对比流化床沉积、NITE烧结等工艺的辐射耐受性差异，详述激光闪射法在双层结构检测中的创新应用。

一、SiC材料核应用价值与辐照挑战

核心要点：

  • 高纯度碳化硅（SiC）在核燃料包壳领域具有关键应用价值，其高热导率可降低燃料温度与热应力
  • 中子辐照导致SiC热导率骤降80%（60-1100℃范围），主要损伤发生于低剂量阶段（<0.1dpa）
  • 当前研究重点：CVD涂层、烧结SiC基体、3D打印等新型制备工艺的辐射耐受性改进

 

二、关键制备工艺对比分析

1. CVD碳化硅技术优势

  • 流化床化学气相沉积（FBCVD）实现高纯度、优晶格结构
  • 热导率保持率优于烧结工艺（无第二相杂质干扰）

2. 烧结SiC性能特征

  • 添加助剂导致本征热导率下降（界面热阻增加）
  • NITE工艺显著提升致密度与化学计量精度

3. 复合材料热传导瓶颈

  • SiC纤维增强复合材料（SiCf/SiC）存在晶界热阻
  • 垂直纤维方向热导率衰减达30%-50%（界面缺陷主导）

 

三、质子辐照实验设计

实验配置：

  • 辐照设备：2.5MV单端加速器（束流能量2.5MeV，电流15μA）
  • 样品处理：镜面抛光后固定于恒温载物台（335-345℃稳定温控）
  • 损伤模拟：SRIM计算显示最大穿透深度46μm（图1损伤分布）

SRIM模拟质子辐照损伤分布曲线，显示深度46μm处达峰值损伤浓度

图1 用SRIM计算了2.5MeV质子辐照SiC的损伤分布

 

四、热导率检测创新方法

1. 激光闪射法（LFA）改进

  • 使用LFA427测量30℃恒温环境热扩散率
  • 双层结构解析技术：1mm样品中分离辐照层（46μm）与基体数据

2. 测量误差控制

  • 10次重复测量确保数据可靠性（±2%误差带）
  • 切割工艺优化：6mm直径圆盘减少边缘热损失

双层结构检测样品示意图，标注辐照层与基体厚度比例

图2 使用LFA测量热扩散率准备的圆盘示意图

 

五、研究结论与工程启示

  • CVD SiC辐照后热导率保持率比烧结工艺高15%-20%
  • 烧结助剂含量需控制在0.5wt%以下以降低热传输损耗
  • 新型3D打印SiC需重点解决层间晶界缺陷问题

 

参考文献：

[1] L.L. Snead, S.J. Zinkle, D.P. White, Thermal conductivity degradation of ceramic materials due to low temperature, low dose neutron irradiation, J. Nucl. Mater. 340 (2-3) (2005) 187–202.

[2] R. Yamada, N. Igawa, T. Taguchi, Thermal diffusivity/conductivity of Tyranno SA fiber-and Hi-Nicalon Type S fiber-reinforced 3-D SiC/SiC composites, J. Nucl. Mater. 329-333 (A)) (2004) 497–501.

 

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