Fe基金属玻璃离子束辐照稳定性的微观机理研究

批准号:
11675035
项目类别:
面上项目
资助金额:
68.0 万元
负责人:
梅显秀
依托单位:
学科分类:
A3001.粒子束与物质相互作用
结题年份:
2020
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘升光、张小楠、张姝琪、刘阳、张琪、赵晓云
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中文摘要
第一镜是核聚变等离子体光学诊断的重要部件。尽管金属材料具有优良导热性等优点,金属材料(如不锈钢、钼、钨等)作为第一镜也存在载能粒子的轰击溅射和杂质再沉积引起的镜面污染问题,不能满足聚变装置要求。前期工作表明,金属玻璃的耐溅射和耐辐照损伤能力好于晶体材料。Fe基金属玻璃因为大的过冷液相区、高的晶化温度等特性具有更好的非晶稳定性,且不含中子活化元素,Fe基金属玻璃有可能成为第一镜的候选材料。Fe基金属玻璃的非晶稳定性是制约其应用的关键,研究其中子辐照非晶稳定性和热稳定性至关重要。本项目拟用强流脉冲离子束辐照模拟聚变堆的热效应,研究Fe基金属玻璃的热稳定性机理;利用H+/He+离子束辐照模拟聚变堆中的中子辐照效应,研究Fe基金属玻璃的中子辐照稳定性的微观物理机制;同时探讨热效应和H+/He+离子束辐照效应的协同作用对Fe基金属玻璃的非晶稳定性影响,探索Fe基金属玻璃作为聚变堆第一镜候选材料可能性
英文摘要
The first mirror is an important componet of optical diagnostic in nuclear fusion devices. Dispite the metals such as stainless steel, molybdenum and tungsten own good thermal performance and other excellent properties, the mirror pollution issues caused by the sputtering of energetic particles and the redeposition of impurities exist in them which limits their applications in the nuclear fusions. Our previous works indicate that the anti-irradiation and sputtering resistance of metallic glasses are better than those of metal material. Fe-based metallic glasses may be choosen as a candidate of the first mirror due to their wide supercooled liquid region, high crystallization temperature, good stability of amorphous and the absence of neutron activation element. The amorphous stability of Fe-based metallic glasses is the key factor which limits the application of the metallic glasses, so the researches of amorphous stability and thermal stability under neutron irradiation are of greatest importance. In this project, the high-intensity pulsed ion beam is used to irradiate Fe-based metallic glasses to simulate the heat effect in nuclear fusion and research the mechanism of thermostability of Fe-based metallic glasses; the H+/He+ ion beam irradiation is used to simulate the neutron irradiation effect in nuclear fusions and study the microscopic physical mechanism of neutron irradiation stability of Fe-based metallic glasses; the synergistic effect of heat and H+/He+ ion beam irradiation on the amorphous stability of Fe-based metallic glasses is also discussed to investigate the probability of which Fe-based metallic glasses apply as a candidate of the first mirror in nuclear fusion.
Fe基金属玻璃具有大的过冷液相区、高的晶化温度等且不含中子活化元素,有可能成为第一镜的候选材料。本项目选择He2+、H+、He2+/H+以及强流脉冲离子束辐照Fe基、Ni基等高晶化温度金属玻璃以及晶体W、Mo、低活化钢,研究金属玻璃的非晶稳定性和热稳定性,并与晶体耐辐照材料比较。结果表明,连续的He2+离子束辐照后,金属玻璃表面都没有明显的辐照损伤现象发生,剂量达到1.61018 ions /cm2时,Fe基、Ni基金属玻璃仍保持非晶相为主要结构,在He泡层区域观察到少量的晶化相产生。H+离子束辐照后,Ni基金属玻璃在剂量达到1.01018 ions /cm2时依然保持着良好的非晶结构,内部没有观察到明显的H泡层,表面依然保持均匀平整,没有出现明显的辐照损伤。He2+/H+复合辐照后,Fe基、金属玻璃中He泡的主要形成机制为He原子的移动与捕获。强流脉冲离子束辐照后,Fe基金属玻璃表面出现了大量的圆形孔洞和少量的“凸点”;辐照诱导Fe基、Ni基金属玻璃内部原子的强烈迁移和聚集,使得金属玻璃的原子排列不均匀。CLF-1钢在300keV的He离子辐照后,其辐照层晶格中产生了压应力,且形成厚度约300 nm的He泡层。在He泡层中形成了局部的非晶区域,且其中的碳化物粒子有发生分解的趋势。当剂量达到1×1018ions/cm2时,CLF-1钢的表面大量起疱伴随着出现剥落。研究发现金属玻璃独特的长程无序结构以及内部存在大量的自由体积能够容纳更多的离子,同时也能够缓解强流脉冲离子束辐照产生的应力。Fe、Ni基金属玻璃耐离子束辐照损伤的能力明显优于晶体材料,有更好的离子束辐照结构稳定性和热稳定性。项目的完成检验了Fe基金属玻璃作为未来聚变装置第一镜候选材料的可能性,为聚变反应成功运行提供理论依据和技术支持。该项目的研究意义不仅仅在于寻找未来聚变装置第一镜候选材料,还可以将金属玻璃的应用拓展到空间反射镜等领域。.项目按计划完成,共发表期刊论文14篇,其中SCI收录的论文12篇,EI收录论文2篇。培养研究生7人,已毕业博士1人,毕业硕士4人。参加国内外学术会议20人次。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Effects of high-intensity pulsed ion beam irradiation on the structural thermal stability of Fe80Si7.B-43(12.57) metallic glass
高强度脉冲离子束辐照对Fe80Si7.B-43(12.57)金属玻璃结构热稳定性的影响
DOI:10.1016/j.fusengdes.2018.10.012
发表时间:2019
期刊:Fusion Engineering and Design
影响因子:1.7
作者:Zhang Qi;Mei Xianxiu;Guan Tong;Zhang Xiaonan;Remnev Gennady E;Pavlov Sergey K;Wang Younian
通讯作者:Wang Younian
The study of irradiation damage induced by proton in metallic glass Ni62Ta38 and metal W
质子对金属玻璃Ni62Ta38和金属W的辐照损伤研究
DOI:10.1016/j.nimb.2018.08.045
发表时间:2018-12
期刊:Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B
影响因子:--
作者:Xiaonan Zhang;Xianxiu Mei;Yingmin Wang;Younian Wang;Jianrong Sun
通讯作者:Jianrong Sun
The irradiation variation of amorphous alloy FeSiB using for fusion devices induced by 2 MeV He ions
2 MeV He离子诱导聚变装置用非晶合金FeSiB的辐照变化
DOI:10.1088/2058-6272/abd97a
发表时间:2021-01
期刊:Plasma Science and Technology
影响因子:1.7
作者:Zhang Xiaonan;Mei Xianxiu
通讯作者:Mei Xianxiu
DOI:10.1016/j.jnucmat.2017.03.021
发表时间:2017
期刊:Journal of Nuclear Materials
影响因子:3.1
作者:Zhang Xiaonan;Mei Xianxiu;Zhang Qi;Li Xiaona;Qiang Jianbing;Wang Younian
通讯作者:Wang Younian
DOI:--
发表时间:2017
期刊:中国表面工程
影响因子:--
作者:张琪;梅显秀;张小楠;马雪;王友年
通讯作者:王友年
压缩等离子体流辐照对难熔多组元合金稳定性影响
- 批准号:12211530445
- 项目类别:国际(地区)合作与交流项目
- 资助金额:19.00万元
- 批准年份:2022
- 负责人:梅显秀
- 依托单位:
难熔高熵合金的强流脉冲离子束和氢氦离子束辐照结构稳定性微观机理
- 批准号:11975065
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:65.0万元
- 批准年份:2019
- 负责人:梅显秀
- 依托单位:
铁基、锆基金属玻璃离子束和等离子体束作用的结构和性能稳定性
- 批准号:11975065
- 项目类别:国际(地区)合作与交流项目
- 资助金额:15万元
- 批准年份:2019
- 负责人:梅显秀
- 依托单位:
低活化高晶化温度金属玻璃的离子束辐照损伤研究
- 批准号:11375037
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:96.0万元
- 批准年份:2013
- 负责人:梅显秀
- 依托单位:
金属玻璃作为ITER偏滤器靶板材料的重离子束辐照模拟研究
- 批准号:11079012
- 项目类别:联合基金项目
- 资助金额:40.0万元
- 批准年份:2010
- 负责人:梅显秀
- 依托单位:
强流脉冲电子束辐照提高热障涂层高温稳定性的机理研究
- 批准号:10875021
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:43.0万元
- 批准年份:2008
- 负责人:梅显秀
- 依托单位:
国内基金
海外基金
