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高熵合金抗辐照性能研究现状与展望

钢铁研究学报 2023年第10期35卷 1185-1195页

作者：陈国幸胡丞杨余丽玲杨立夫王巍麟吴开明武汉科技大学国际钢铁研究院高性能钢铁材料及应用省部共建协同创新中心湖北武汉430081

高熵合金结构简单但主元相对复杂,由于其具有迟滞扩散效应,可以阻碍由于原子运动引起的晶格畸变,并且存在的较高原子级别应力,使其具有自修复机制,因此高熵合金具有优异的抗辐照性能。辐照作用在材料内部产生的缺陷或缺陷团簇,在反应堆... 详细信息

高熵合金结构简单但主元相对复杂,由于其具有迟滞扩散效应,可以阻碍由于原子运动引起的晶格畸变,并且存在的较高原子级别应力,使其具有自修复机制,因此高熵合金具有优异的抗辐照性能。辐照作用在材料内部产生的缺陷或缺陷团簇,在反应堆服役过程中还会发生迁移和聚集,形成大型缺陷并影响材料的微观结构和力学性能。为了更好地解释辐照缺陷的运动,通常还需要采用理论模拟的方法。从结构的角度将抗辐照高熵合金分为体心立方、面心立方和混合结构3类,分析探讨了辐照对材料结构和性能的影响,介绍了部分常用的理论模拟方法,最后针对高熵合金抗辐照性能研究发展的趋势以及对未来研究工作重点进行了总结与展望。

关键词：高熵合金抗辐照性能核用结构材料辐照损伤抗辐照机制

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石墨烯量子点对环氧树脂抗辐照性能的影响

辐射研究与辐射工艺学报 2024年第1期42卷 38-44页

作者：候金霞刘胜凯裴晓园王维尹跃周新科徐志伟天津工业大学纺织科学与工程学院天津300387

探究高能辐照下环氧树脂损伤降解机理,以提高环氧树脂在辐照环境下的稳定性。本研究将石墨烯量子点(GQDs)作为自由基清除剂,减缓γ辐照环境下环氧树脂的降解,并研究了GQDs对环氧树脂抗辐照性能的影响机制。结果表明:经过辐照后环氧树脂... 详细信息

探究高能辐照下环氧树脂损伤降解机理,以提高环氧树脂在辐照环境下的稳定性。本研究将石墨烯量子点(GQDs)作为自由基清除剂,减缓γ辐照环境下环氧树脂的降解,并研究了GQDs对环氧树脂抗辐照性能的影响机制。结果表明:经过辐照后环氧树脂力学性能下降49%,玻璃化转变温度下降4.4℃;石墨烯量子点/环氧树脂(GQDs/EP)复合材料的力学性能下降35%,玻璃化转变温度下降2.2℃;GQDs的引入使得辐照后的GQDs/EP复合材料产生的自由基含量显著低于纯树脂自由基的含量。GQDs纳米颗粒也改善了辐照前后环氧树脂的力学性能和热学稳定性。因此,GQDs纳米颗粒可以作为自由基清除剂,有效地提高环氧树脂的辐照稳定性。GQDs清除自由基机制与sp2碳域和表面的官能团有密切相关。本研究为提高环氧树脂在γ射线辐照下的稳定性提供了新的思路和方法。

关键词：环氧树脂纳米颗粒抗辐照性能

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锗酸盐玻璃辐致暗化效应及抗辐照性能研究

锗酸盐玻璃辐致暗化效应及抗辐照性能研究

作者：陈晓东华南理工大学

学位级别：硕士

锗酸盐玻璃是一种非常重要的中红外传输和中红外光纤激光器的基质材料,特别是钡镓锗酸盐(BGG)玻璃因其具有低的声子能量、高的稀土离子溶解度、高的抗激光损伤阂值及优良的物化和机械性能,而成为2.0μm波段光纤激光器一种优异的玻璃基... 详细信息

锗酸盐玻璃是一种非常重要的中红外传输和中红外光纤激光器的基质材料,特别是钡镓锗酸盐(BGG)玻璃因其具有低的声子能量、高的稀土离子溶解度、高的抗激光损伤阂值及优良的物化和机械性能,而成为2.0μm波段光纤激光器一种优异的玻璃基质材料。但是当由此材料制备的光纤激光器应用于高能射线辐照环境中时,如空间应用时,伽马射线辐照会导致锗酸盐光纤出现光暗化效应,降低光纤的传输性能以及影响激光器件的稳定性和使用寿命。目前,关于光暗化效应的研究主要集中于硅酸盐以及磷酸盐基质玻璃光纤,而对于锗酸盐玻璃和光纤的暗化效应研究很少,伽马射线辐照导致的光暗化机制还有待澄清。本研究以课题组研制的用于2.0μm波段光纤激光器的高掺Tm3+BGG玻璃为研究对象,研究了不同剂量伽马射线辐照对钡镓锗酸盐玻璃暗化的影响规律以及BGG玻璃辐致暗化机制,探索了F、Cl、Br等卤素和Nb5+金属离子对BGG玻璃抗辐照性能的影响,研究内容和主要研究成果如下：(1)结合吸收光谱,探究了伽马射线不同辐照累积剂量对BGG玻璃辐致暗化的影响。研究表明BGG玻璃的辐致损耗位于260 nm-800 nm波段,且当累积剂量不超过100KGy时,辐致损耗随着累积剂量的增加而增加;同时辐照累积剂量大于等于50KGy时,辐致损耗随累积剂量的增加变化较小。(2)采用透射光谱、EPR图谱和热释光谱综合分析了BGG玻璃辐致暗化来源。研究发现BGG玻璃辐致损耗的形成主要由于在辐照过程中在BGG玻璃结构中形成了Ge-NBOHC和GEC两种顺磁缺陷;同时得到了两种缺陷对应的光学吸收带,吸收峰分别位于375 nm和315 nm。(3)提出了可以通过掺杂卤素(F、Cl、Br)增强BGG玻璃抗辐照性能。发现掺杂F、Cl和Br均可以减弱甚至消除BGG玻璃可见区域的辐致暗化,并且使BGG玻璃紫外吸收边红移。实验获得了F、Cl和Br最佳掺杂浓度分别为3%、1%、3%。(4)通过在BGG玻璃中掺杂Nb205,研究了可变价Nb5+离子对BGG玻璃抗辐照性能的影响规律。发现掺杂样品在辐照过程中由于存在Nb3+(?)Nb5+相互转化,抑制了GEC和Ge-NBOHC两种缺陷的形成,从而抑制BGG玻璃的辐致暗化效应,实现了增强BGG玻璃的抗辐照性能。实验研究获得了抑制BGG玻璃暗化效应的Nb205最佳掺杂浓度为1.0%。

关键词：辐致暗化锗酸盐玻璃抗辐照性能

FeCoCrNiCu高熵合金抗辐照性能的分子动力学研究

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FeCoCrNiCu高熵合金抗辐照性能的分子动力学研究

作者：韩晨中国矿业大学

学位级别：硕士

高温、腐蚀和辐照等恶劣工况会严重影响核结构材料的使役寿命,因此开发高性能核结构材料至关重要。Fe CoCrNiCu高熵合金是一种新型多组分均匀固溶体,具有出色的力学和耐腐蚀性能,有望成为一种极具潜力的核结构材料。本文基于分子动力学... 详细信息

高温、腐蚀和辐照等恶劣工况会严重影响核结构材料的使役寿命,因此开发高性能核结构材料至关重要。Fe CoCrNiCu高熵合金是一种新型多组分均匀固溶体,具有出色的力学和耐腐蚀性能,有望成为一种极具潜力的核结构材料。本文基于分子动力学模拟,通过改变合金元素种类、含量及温度等因素,深入研究Fe CoCrNiCu高熵合金在高能粒子入射下辐照损伤演变过程及规律,讨论高熵合金抗辐照的微观机理,并得到以下主要结论:(1)研究了Ni、Ni Cr、Ni Co Cr、Fe Co Cr Ni和Fe CoCrNiCu辐照级联损伤过程,发现随合金组分的复杂化,合金抗辐照性能提升。在辐照过程中,高熵合金点缺陷分布深度和尺寸较小,复合后弗兰克缺陷对数量较少,缺陷团簇主要以单一缺陷形式存在,仅有少量2、3-10尺寸缺陷团簇,其中间隙原子团簇数量随入射能量升高而增加,空位缺陷团簇数量基本不变。同时发现高熵合金级联核心温度下降速度较慢,热峰寿命长,缺陷复合率高。(2)研究了非等摩尔比Fe CoCrNiCu在30Ke V入射能量下的辐照级联损伤过程,分析单元素含量变化对Fe CoCrNiCu抗辐照性能的影响规律,发现随着单元素含量增加,点缺陷分布深度和尺寸先变小后变大,级联核心温度下降速度先增加后减小,缺陷复合率先上升后下降。此外,Co、Cu、Fe、Ni含量的变化影响单一间隙原子缺陷和2、3-10尺寸间隙原子团簇的数量,但是Cr含量的变化对单一间隙原子缺陷影响不大。通过对比发现在所有研究体系中Fe CoCrNiCu抗辐照性能较优。(3)研究了300K、500K、800K和1200K温度下,入射能量为30Ke V时Ni、Fe CoCrNiCu和Fe CoCrNiCu辐照级联损伤过程,发现随着温度升高,点缺陷分布深度和尺寸小幅增大,弗兰克缺陷对数量增加,但缺陷复合率变化不大。高熵合金相结构较稳定,其抗辐照性能在800K以下基本无衰减,且Cu元素含量增加会提升Fe CoCrNiCu高温下的抗辐照性能。本论文有图58幅,表5个,参考文献112篇。

关键词：高熵合金抗辐照性能弗兰克缺陷对分子动力学级联碰撞

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SCRAM钢的抗辐照性能的研究

SCRAM钢的抗辐照性能的研究

作者：杨峰华中科技大学

学位级别：硕士

核聚变能作为一种高效，清洁，安全，无限的新能源是人类未来能源的重要主导之一,为了早日脱离能源危机，世界各国一直都在共同努力建立热核聚变堆，对合适结构材料的在苛刻条件下的分析研究和最终材料的选择是在核聚变堆的建造过程中... 详细信息

核聚变能作为一种高效，清洁，安全，无限的新能源是人类未来能源的重要主导之一,为了早日脱离能源危机，世界各国一直都在共同努力建立热核聚变堆，对合适结构材料的在苛刻条件下的分析研究和最终材料的选择是在核聚变堆的建造过程中非常关键的一步。目前世界上主流的结构材料是Cr-W-V-Ta体系的铁素体马氏体钢，其抗辐照性能比较优异，但为了进一步优化结构材料的抗辐照性能，提高使用寿命，本课题设计了一种新型Cr-W-V-Ti-N体系的超洁净低活化马氏体钢(简称SCRAM钢)，并熔炼制备了9种不同Ti，N，V含量的SCRAM钢，对其抗辐照性能进行了多方面的评价，并通过分析合金元素对其性能的影响，优化了其成分和性能。 300℃下Fe+He+H的三束离子顺序辐照会使SCRAM钢发生了一定的辐照硬化和辐照脆化，SCRAM-1(0.0064Ti-0.095V-77N)的拉伸强度的辐照变化率是13.4%，SCRAM-3(0.018Ti-0.092V-110N)的拉伸强度的辐照变化率是7.2%，两种钢都产生了一定的辐照硬化。而且SCRAM-1的冲击强度的辐照变化率是-30.8%，而SCRAM-3的冲击强度的辐照变化率是-2.68%。通过辐照变化率的对比，我们发现SCRAM-3的抗辐照稳定性是优于SCRAM-1的，不管是对辐照硬化的抗性还是对辐照脆化的抗性，SCRAM-3钢都拥有更稳定的组织结构。经过Fe，Fe+H和Fe+He的单束和双束离子辐照后SCRAM-6(0.005Ti-0.25V-170N)钢和SCRAM-9(0.015Ti-0.25V-700N)钢的冲击韧性都发生了一定的下降，由于辐照脆化的影响，其冲击强度都发生了不同程度的下降，而且在Fe离子辐照的基础上增加He或H离子辐照后，由于协同作用的影响，两种钢的辐照变化率都发生了进一步的下降，但SCRAM-9钢的辐照变化率都相对更小。经过辐照剂量为20dpa的3MeV Fe离子辐照后，SCRAM-4(0.011Ti-0.094V-150N)和SCRAM-9(0.015Ti-0.25V-700N)钢的冲击强度与辐照前的冲击强度相比发生了一定的升高，SCRAM-5(0.021Ti-0.097V-150N)钢的冲击强度略有下降，SCRAM-4钢的辐照变化率是28.9%，SCRAM-9钢的辐照变化率是17.9%，SCRAM-5钢的辐照变化率是-4.1%，随着Ti含量的升高，SCRAM钢的性能变化是逐渐减小的，其组织稳定性是逐渐升高的。通过He离子辐照后辐照变化率的对比，我们发现，在N，V含量接近时，Ti含量越高，SCRAM钢的辐照变化率越小，SCRAM钢的抗辐照稳定性越好。在Ti，V含量接近时，不含Ti时，N含量的高低对SCRAM钢的辐照变化率影响都不大，不同N含量的冲击强度的辐照变化率都在-224%，而同V，N含量的SCRAM钢的Ti含量增加后，辐照变化率明显下降，特别是高N，高Ti的SCRAM-9钢的辐照变化率只有-17.4%，在Ti，N含量接近时，V含量越高，SCRAM钢的辐照变化率越小，SCRAM钢的抗辐照稳定性越好。通过对不同Ti，N，V含量的SCRAM钢的抗辐照性能的对比，我们发现SCRAM-3(0.018Ti-0.092V-110N)和SCRAM-9(0.015Ti-0.25V-700N)的抗辐照稳定性都是比较好的。

关键词：核聚变堆结构材料 SCRAM钢抗辐照性能力学性能组织结构

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半导体激光器抗辐照性能无损检测系统的研制

激光杂志 2024年第3期45卷 30-34页

作者：王双争曹军胜于松群高志坚中国科学院长春光学精密机械与物理研究所长春130033 中国科学技术大学合肥230026

半导体激光器的电导数和低频电噪声参数可以反映器件的内部缺陷,与器件抗辐照性能具有相关性。介绍了基于电导数技术和低频电噪声技术设计的半导体激光器抗辐照性能检测系统,能够测量并提取激光器电导数及低频电噪声参数。通过微小剂量... 详细信息

半导体激光器的电导数和低频电噪声参数可以反映器件的内部缺陷,与器件抗辐照性能具有相关性。介绍了基于电导数技术和低频电噪声技术设计的半导体激光器抗辐照性能检测系统,能够测量并提取激光器电导数及低频电噪声参数。通过微小剂量辐照前后的敏感参数对半导体激光器进行抗辐照性能评价,具有灵敏、无损等优势。

关键词：半导体激光器电导数低频电噪声抗辐照性能无损检测

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锡铅焊点初级辐照损伤及抗辐照性能研究

锡铅焊点初级辐照损伤及抗辐照性能研究

作者：徐海云哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

近年来，各国纷纷发布了未来深空探测的任务规划。深空环境中无处不在的高能辐照粒子对于电气系统及其材料的辐照可靠性提出了高要求。目前普遍采用抗辐射加固装置，不仅造价昂贵、结构复杂，而且会带来质量增量，并且部分电气设备如太... 详细信息

近年来，各国纷纷发布了未来深空探测的任务规划。深空环境中无处不在的高能辐照粒子对于电气系统及其材料的辐照可靠性提出了高要求。目前普遍采用抗辐射加固装置，不仅造价昂贵、结构复杂，而且会带来质量增量，并且部分电气设备如太阳能电池板，由于其特殊用途无法对其进行辐照屏蔽保护。因此研究互连材料本身的辐照损伤及提高其抗辐照性能具有重要意义。锡铅焊点作为电气互连材料的一大类，对于电气系统的可靠性起着关键作用，因此本文对于其初级辐照损伤及抗辐照性能进行了研究。　　首先，基于分子动力学模拟及修正后的势函数对于Sn、Pb初级辐照阶段的缺陷演化行为进行了研究，在相同初级碰撞原子(Primary Knock-on Atom,PKA)能量下，Pb相比于Sn受到辐照波及的原子范围更大，辐照损伤区域更大，损伤程度更深。对比模拟结果与“非热重组校正原子平均离位”(Athermal Recombination-corrected dpa,ARC-DPA)模型，结果表明其与ARC-DPA的符合较良好，验证了模拟的正确性，并且Sn、Pb中缺陷水平与PKA能量近似成线性关系。对比Sn、Pb的辐照诱导缺陷水平发现Sn的抗辐照性能优于Pb，进一步从能量耗散及热峰阶段缺陷分布角度分析了抗辐照性能差异的原因。　　其次，研究了Sn/Pb体系的缺陷演化规律发现界面对于离位原子的演化具有拒止作用并且由于其优先吸收间隙原子导致基体中留下的间隙原子少于单晶体系，空位基本不动从而大部分被保留在基体中。通过构建不同位相关系的Sn/Pb界面发现界面吸收点缺陷的效率依赖于界面两侧晶体的取向关系。并通过研究Sn相与Pb相的缺陷演化规律对比了抗辐照性能。为了研究Sn/Pb体系的能量效应，模拟了Sn/Pb体系在不同PKA能量下的初级辐照阶段，结果表明，界面对于间隙原子及空位的吸收效率随着PKA能量改变而改变。间隙原子百分比同辐照影响区与界面的相对接触面积正相关。　　最后，对γ辐照环境下典型Sn/Pb(Sn63Pb37)焊点微观组织及性能演变进行了实验研究以探究其辐照可靠性演化规律，结果表明，200hγ辐照后，焊点最大剪切力下降了5.44%。基于前文Sn/Pb体系的分子动力学模拟从初级辐照的角度探讨了Sn63Pb37焊点基体的辐照损伤机理。

关键词：深空探测锡铅焊点初级辐照损伤抗辐照性能分子动力学模拟

CrMnFe（V、Ni）-Al系高熵合金的力学性能与抗辐照性能研究

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CrMnFe（V、Ni）-Al系高熵合金的力学性能与抗辐照性能研究

作者：李春辉大连理工大学

学位级别：硕士

本文选择了Al、V、Cr、Mn、Fe、Ni等具有中低中子吸收截面的元素,基于原子半径差δ、混合焓?H、混合熵S、价电子浓度VEC等参数,利用经验公式设计并制备了一系列具有不同晶体结构的高熵合金,系统研究了它们的组织结构、力学性能、抗辐照... 详细信息

本文选择了Al、V、Cr、Mn、Fe、Ni等具有中低中子吸收截面的元素,基于原子半径差δ、混合焓?H、混合熵S、价电子浓度VEC等参数,利用经验公式设计并制备了一系列具有不同晶体结构的高熵合金,系统研究了它们的组织结构、力学性能、抗辐照损伤性能及其作用机制,主要成果如下:(1)通过调整V和Ni元素的含量,分别获得了具有FCC、FCC+BCC、BCC结构的CrMnFeNi、VCrMnFeNi、VCrMnFe高熵合金。三种合金的压缩断裂应变均超过50%,屈服强度依次上升,分别为:44.9 MPa、250 MPa、660 MPa。(2)以单相FCC结构的CrMnFeNi高熵合金为基础,添加不同含量的Al元素后发现:AlCrMnFeNi高熵合金仍为单相FCC结构,压缩断裂应变超过50%,但屈服强度与硬度稍低,分别为229 MPa、137 HV;AlCrMnFeNi高熵合金的晶体结构为FCC+BCC+B2+少量的Fe Cr富集相,第二相的析出导致压缩断裂应变降低为40.6%,但屈服强度与硬度明显提高,分别可达836 MPa、330 HV;随着Al含量进一步增加,AlCrMnFeNi高熵合金的晶体结构为BCC+B2+大量的Fe Cr富集相,压缩断裂应变下降为35%,屈服强度与硬度分别为786 MPa、421 HV。(3)以双相FCC+BCC结构的VCrMnFeNi高熵合金为基础,添加不同含量的Al元素后发现:AlVCrMnFeNi高熵合金的晶体结构为FCC+BCC+B2,压缩断裂应变为48.7%,屈服强度与硬度分别为696 MPa、324.5 HV;AlVCrMnFeNi晶体结构为BCC+B2,压缩断裂应变为45.8%,屈服强度与硬度分别为1104 MPa、403.2HV。对该合金的强化机制做了评估,结果表明沉淀强化是最主要的强化机制;AlVCrMnFeNi晶体结构也为BCC+B2,压缩断裂应变为7.5%,屈服强度与硬度分别为1226 MPa、543.5 HV,这主要是因为枝晶间析出了调幅分解组织,在晶界造成了应力集中,从而使合金发生脆性裂断。(4)对FCC结构的CrMnFeNi、BCC结构的VCrMnFe和BCC+B2结构的AlVCrMnFeNi高熵合金做了He辐照实验。结果发现:三种合金辐照前后未有相变发生,但随着辐照剂量的增加,CrMnFeNi高熵合金晶格常数变化波动最小,而VCrMnFe与AlVCrMnFeNi高熵合金晶格常数变化波动较大;在3×10 ion/cm辐照条件下,CrMnFeNi、VCrMnFe、AlVCrMnFeNi高熵合金的氦泡体积密度分别为:8.57×10、3.80×10、2.32×10m,氦泡尺寸分别为:2.09、3.00、3.60 nm;CrMnFeNi合金纳米硬度增幅最大为77.91%,VCrMnFe纳米硬度增幅最大为37.91%,AlVCrMnFeNi高熵合金纳米硬度增幅最大为13.14%,具有最好的抗辐照性能。

关键词：高熵合金微观组织力学性能抗辐照性能

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特种光纤抗辐照性能的研究进展

激光与光电子学进展 2024年第23期 96-109页

作者：胡雯廖梅松邓路邵冲云李思宇潘安练湖南大学材料科学与工程学院中国科学院上海光学精密机械研究所

当代的航空航天与核能技术飞速发展，迫切需要具有抗辐照性能的光纤。特种光纤在空间通信与传感、太空测量与采集、卫星地面共联等领域已扮演重要角色。然而，这些极端环境下的辐射可能造成光纤损伤，降低其传输能力，影响使用的稳定性... 详细信息

当代的航空航天与核能技术飞速发展，迫切需要具有抗辐照性能的光纤。特种光纤在空间通信与传感、太空测量与采集、卫星地面共联等领域已扮演重要角色。然而，这些极端环境下的辐射可能造成光纤损伤，降低其传输能力，影响使用的稳定性和安全性。回顾了过去关于提升光纤抗辐照性能的研究，并介绍了当前提高传输光纤抗辐照性能的研究现状，现有方法包括改变纤芯或包层组分以及预处理等，通过对比各种方法对光纤的作用机理和影响程度，发现结合多种方法应用于传输光纤能够显著提升其抗辐照性能，尤其是结合预辐照、载H2、载D2、退火、光漂白以及适当掺杂元素，能够显著提升光纤的抗辐照性能。这些发现为光纤在极端环境中的可靠应用提供了有效途径，其成功应用为未来的光纤研究和应用开辟了新的方向，未来的研究可以进一步探索更加创新和高效的方法，以不断提升光纤在极端条件下的可靠性和稳定性。

关键词：特种光纤抗辐照性能色心辐致诱导损耗