Cải thiện khả năng chịu tổn thương do bức xạ ở nhiệt độ cao trong một loại gốm ba pha có heterointerfaces

Scientific Reports - Tập 8 Số 1
Kenta K. Ohtaki1, Maulik Patel2, Miguel L. Crespillo3, Keyur Karandikar4, Yanwen Zhang3, Olivia A. Graeve4, Martha L. Mecartney1
1Department of Chemical Engineering & Materials Science, University of California, Irvine, Irvine, CA, 92697-2575, USA
2Department of Mechanical, Materials & Aerospace Engineering, University of Liverpool, Liverpool, L69 3BX, UK
3Department of Materials Science and Engineering, University of Tennessee, Knoxville, Knoxville, 37996-2100, TN, USA
4Department of Mechanical and Aerospace Engineering, University of California, San Diego, San Diego, CA, 92093-0411, USA

Tóm tắt

AbstractKhả năng chịu tổn thương do bức xạ của nhiều loại gốm ở nhiệt độ cao phụ thuộc vào khả năng kháng cự của vật liệu đối với sự hình thành và phát triển của các khiếm khuyết mở rộng. Các quá trình này diễn ra phổ biến trong các loại gốm được sử dụng trong môi trường không gian, phân hạch/sát nhập hạt nhân và chất thải hạt nhân. Báo cáo này chỉ ra rằng các heterointerfaces ngẫu nhiên trong các vật liệu có kích thước hạt dưới micron có thể hoạt động như những nơi tiếp nhận điểm khuyết rất hiệu quả so với các ranh giới hạt trong các vật liệu đơn pha. Nồng độ của các vòng dislocation trong một pha nhạy cảm với tổn thương bức xạ (Al2O3) giảm đáng kể khi Al2O3 là một thành phần của hệ composite thay vì hệ đơn pha. Những kết quả này trình bày một phương pháp mới để thiết kế gốm chịu tổn thương do bức xạ cực kỳ tốt ở nhiệt độ cao với kích thước hạt ổn định, mà không cần yêu cầu kỹ thuật bề mặt mở rộng hay sản xuất các vật liệu nanocrystalline.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Zinkle, S. J. & Pells, G. P. Microstructure of Al2O3 and MgAl2O4 irradiated at low temperatures. J. Nucl. Mater. 253, 120–132 (1998).

Shen, T. D. et al. Enhanced radiation tolerance in nanocrystalline MgGa2O4. Appl. Phys. Lett. 90, 263115 (2007).

Dey, S. et al. Radiation Tolerance of Nanocrystalline Ceramics: Insights from Yttria Stabilized Zirconia. Sci. Rep. 5, 7746 (2015).

Ferré, F. G. et al. Radiation endurance in Al2O3 nanoceramics. Sci. Rep. 6, 33478 (2016).

Zhang, X. et al. Radiation damage in nanostructured materials. Prog. Mater. Sci. 96, 217–321 (2018).

Beyerlein, I. J., Demkowicz, M. J., Misra, A. & Uberuaga, B. P. Defect-interface interactions. Prog. Mater. Sci. 74, 125–210 (2015).

Misra, A., Demkowicz, M. J., Zhang, X. & Hoagland, R. G. The radiation damage tolerance of ultra-high strength nanolayered composites. JOM 59, 62–65 (2007).

Demkowicz, M. J., Hoagland, R. G. & Hirth, J. P. Interface Structure and Radiation Damage Resistance in Cu-Nb Multilayer Nanocomposites. Phys. Rev. Lett. 100, 136102 (2008).

Zou, J. et al. Design of α-Al2O3/Cr2O3 nano-multilayered composite films with enhanced irradiation tolerance prepared by epitaxial growth at low temperature. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. Mater. At. 406, 628–633 (2017).

Wang, H. et al. Enhanced radiation tolerance of YSZ/Al2O3 multilayered nanofilms with pre-existing nanovoids. Acta Mater. 144, 691–699 (2018).

Ackland, G. Controlling Radiation Damage. Science 327, 1587–1588 (2010).

Kim, B., Hiraga, K., Morita, K. & Sakka, Y. A high-strain-rate superplastic ceramic. Nature 413, 288–291 (2001).

Valdez, J. A. et al. 10 MeV Au ion irradiation effects in an MgO–HfO2 ceramic–ceramic (CERCER) composite. J. Nucl. Mater. 393, 126–133 (2009).

Beyerlein, I. J. et al. Radiation damage tolerant nanomaterials. Mater. Today 16, 443–449 (2013).

Han, W. et al. Design of Radiation Tolerant Materials Via Interface Engineering. Adv. Mater. 25, 6975–6979 (2013).

Hobbs, L. W., Clinard, W., Zinkle, S. J. & Ewing, R. C. Radiation effects in ceramics. J. Nucl. Mater. 216, 291–321 (1994).

Kinoshita, C., Fukumoto, K., Fukuda, K., Garner, F. A. & Hollenberg, G. W. Why is magnesia spinel a radiation-resistant material? J. Nucl. Mater. 219, 143–151 (1995).

Zinkle, S. J. Effect of irradiation spectrum on the microstructural evolution in ceramic insulators. J. Nucl. Mater. 219, 113–127 (1995).

Tallman, D. J. et al. Effects of neutron irradiation of Ti3SiC2 and Ti3AlC2 in the 121–1085 °C temperature range. J. Nucl. Mater. 484, 120–134 (2017).

Kondo, S., Katoh, Y. & Snead, L. L. Microstructural defects in SiC neutron irradiated at very high temperatures. J. Nucl. Mater. 382, 160–169 (2008).

Ludy, J. E. & Rupert, T. J. Amorphous intergranular film act as ultra-efficient defect sinks during collision cascades. Scr. Mater. 110, 37–40 (2016).

Han, W. Z., Demkowicz, M. J., Fu, E. G., Wang, Y. Q. & Misra, A. Effect of grain boundary character on sink efficiency. Acta Mater. 60, 6341–6351 (2012).

Kushima, A. & Yildiz, B. Oxygen ion diffusivity in strained yttria stabilized zirconia: where is the fastest strain? J. Mater. Chem. 20, 4809–4819 (2010).

Aidhy, D. S., Zhang, Y. & Weber, W. J. Strained Ionic Interfaces: Effect on Oxygen Diffusivity from Atomistic Simulations. J. Phys. Chem. C 118, 4207–4212 (2014).

Vetterick, G. A. et al. Achieving Radiation Tolerance through Non-Equilibrium Grain Boundary Structures. Sci. Rep. 7, 12275 (2017).

Zhang, Y. et al. Grain growth and phase stability of nanocrystalline cubic zirconia under ion irradiation. Phys. Rev. B (2010).

Sinha, K., Pearson, B., Casolco, S. R., Garay, J. E. & Graeve, O. A. Synthesis and Consolidation of BaAl2Si2O8:Eu: Development of an Integrated Process for Luminescent Smart Ceramic Materials. J. Am. Ceram. Soc. 92, 2504–2511 (2009).

Zhang, Y. et al. New ion beam materials laboratory for materials modification and irradiation effects research. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. Mater. At. 338, 19–30 (2014).

Ziegler, J. F., Ziegler, M. D. & Biersack, J. P. SRIM – The stopping and range of ions in matter (2010). Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. Mater. At. 268, 1818–1823 (2010).

Stoller, R. E. et al. On the use of SRIM for computing radiation damage exposure. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. Mater. At. 310, 75–80 (2013).

Zinkle, S. J. & Kinoshita, C. Defect production in ceramics. J. Nucl. Mater. 251, 200–217 (1997).

Costantini, J.-M. & Beuneu, F. Threshold displacement energy in yttria-stabilized zirconia. Phys. Status Solidi C 4, 1258–1263 (2007).

Thông tin
Thông tin xuất bản

Scientific Reports

Tập 8 Số 1

Thông tin tác giả