氦离子辐照对SiC在FLiNaK熔盐中腐蚀行为与力学性能的协同影响机制研究

《Corrosion Communications》：Effect of He ions irradiation on corrosion behavior and mechanical responses of SiC in molten FLiNaK salts

本研究针对熔盐堆中关键结构材料碳化硅在辐照与高温熔盐腐蚀耦合环境下的性能退化问题，系统开展了400 keV氦离子辐照及其在750 °C FLiNaK熔盐中腐蚀166小时的实验。结果表明：辐照通过诱导非晶化与缺陷显著加速SiC腐蚀，形成石墨化富碳层并伴随剥落深度增加；镍杂质与辐照诱导的Si-Si键反应生成Ni2Si/Ni31Si12化合物，进一步促进腐蚀进程。纳米压痕测试揭示辐照区硬度先增后降，而腐蚀区硬度因石墨层形成显著降低，但随辐照剂量增加因氦气泡钉扎效应而强化。该研究为揭示辐照-腐蚀协同作用机制及SiC在MSR中的安全应用提供重要理论依据。

　　

在追求先进核能系统的道路上，熔盐堆因其固有的安全性和高效性而备受瞩目。然而，堆内结构材料需要同时承受高通量中子辐照和高温熔盐的严酷考验，这对其长期稳定性提出了巨大挑战。碳化硅及其复合材料以其优异的高温稳定性、高导热性和低中子吸收截面等特性，被视为熔盐堆中极具应用前景的结构材料。但现实情况是，在熔盐堆的实际运行环境中，SiC材料会同时面临连续中子辐照和高温熔盐腐蚀的双重攻击，可能导致微观结构变化和力学性能退化，进而危及反应堆的运行安全。

虽然已有研究表明高纯度SiC材料在纯净熔盐环境中表现出卓越的耐腐蚀性，且SiC本身具有良好的抗辐照性能，但当辐照和腐蚀同时作用时，情况变得复杂起来。现有研究显示，辐照会显著加速SiC的熔盐腐蚀，进一步改变材料的微观结构。然而，这一过程的驱动机制尚未充分探索，特别是辐照和腐蚀后SiC力学性能的变化研究更是匮乏，而这正是其在熔盐堆中应用的关键因素。

为了解决这些科学问题，上海大学的研究团队在《Corrosion Communications》上发表了最新研究成果，系统探讨了氦离子辐照对SiC在FLiNaK熔盐中腐蚀行为及力学响应的影响。

研究人员采用化学气相沉积SiC样品，通过400 keV氦离子在室温下进行辐照，随后在750 °C的FLiNaK盐中暴露166小时，结合原子力显微镜、扫描电镜与能谱分析、拉曼光谱、透射电镜和纳米压痕测试等多种表征手段，全面分析了辐照对SiC腐蚀行为和力学性能的影响。实验设置了未辐照仅腐蚀、辐照后腐蚀等不同条件组合，并利用SRIM软件模拟了损伤和氦浓度分布。

研究结果显示，熔盐腐蚀导致SiC表面发生部分剥落，形成具有石墨结构的富碳层。随着辐照剂量的增加，剥落深度呈现正相关趋势。在腐蚀边界处检测到镍杂质的存在，表明其在辐照促进腐蚀过程中扮演重要角色。通过高分辨透射电镜分析，发现镍杂质与硅原子形成了Ni₂Si或Ni₃₁Si₁₂化合物，其晶面间距为1.91 ?。

在力学性能方面，仅经辐照的SiC硬度随辐照剂量先增加后略微降低，而辐照后腐蚀样品的腐蚀区硬度则显著下降，这主要归因于石墨结构富碳层的形成。值得注意的是，腐蚀区的硬度随辐照剂量增加而增加，这主要是由于腐蚀过程中高温退火导致超大尺寸气泡产生钉扎效应所致。

讨论部分深入分析了辐照促进腐蚀的机制：氦离子辐照在SiC中产生缺陷和氦气泡，甚至导致部分非晶化，这些结构变化为熔盐中的氟离子与硅原子反应创造了条件，加速了SiC的腐蚀。镍杂质的存在进一步加剧了这一过程，因其可与辐照诱导的Si-Si键优先反应。高温腐蚀过程中的退火效应促进了氦气泡的粗化，从而影响材料的力学响应。

该研究首次系统揭示了辐照-腐蚀协同作用下SiC微观结构演变与力学性能的关联机制，明确了镍杂质在腐蚀过程中的作用，并量化了不同辐照剂量对材料性能的影响规律。这些发现不仅为理解SiC在熔盐堆环境下的行为提供了重要理论依据，也为优化材料设计和提高反应堆安全性指明了方向。特别是在实际熔盐堆环境中，结构材料与镍基合金的相互作用不可避免，因此对镍杂质影响机制的阐明具有重要现实意义。

研究表明，通过控制熔盐纯度、优化材料设计以减少硅溶解，可能是缓解SiC在FLiNaK盐中腐蚀的有效策略。同时，辐照诱导的氦气泡在高温下的演化行为对材料力学性能的显著影响，也为预测材料在反应堆中的长期性能提供了关键参数。这些成果对推进熔盐堆技术商业化应用具有重要指导价值。