臺灣博碩士論文加值系統

本研究的內容主要在於分析Hi-Nicalon Type-S/Py-C/CVI SiC與Tyranno-SA/Py-C/LPS SiC等兩組碳化矽/碳化矽複合材料，經清華大學之范式加速器以及串級式加速器，分別與同時進行氦離子和矽離子之照射；並藉由高溫退火或即時加熱至高溫的方式，模擬真實環境下碳化矽/碳化矽複合材料之輻射效應。照射後之複合材料則分別以掃瞄、穿透式電子顯微鏡和能量損失譜儀觀察其微結構之變化與分析其界面強度。
碳化矽/碳化矽複合材料之纖維、基材與界面層之界面粗糙度與其碳化矽晶粒大小有關。由於纖維晶粒尺寸的效應，使得晶粒尺寸較大的纖維與碳界面層間有相對較高的粗糙度；並依據磨擦係數與界面粗糙度的關係推測：若僅考慮機械鍵結的影響，晶粒尺寸較大纖維/碳界面層間應具有較高的界面強度。然而，自先前的研究結果發現裂縫的產生仍多存在於纖維/碳界面層間。由高分辨電子顯微鏡影像發現：接近纖維處之碳界面層具類石墨化結構，並由量測晶格常數的方式判斷其{0001}面平行纖維之軸向。配合以能量損失譜儀分析所得之鍵結分佈與能量損失譜圖，確認靠近纖維處之碳原子具有較高比例sp2形式的鍵結。由於石墨結構之強烈異向性和相對強度較弱的sp2鍵，使得碳化矽/碳化矽複合材料界面剝離的現象易發生於纖維/碳界面層間。並藉此推論碳界面層本身的結構、成長方向與鍵結的形式為支配碳化矽複合材料界面破壞行為的關鍵因素。
分析氦離子照射、並於高真空環境下分別退火1000、1200、1400℃一小時之Hi-Nicalon type-S/Py-C/CVI SiC複合材料發現：氦原子在溫度高於1200℃以上時，有於碳化矽晶界聚集、形成氦氣氣泡之傾向，並隨退火溫度升高至1400℃，氦氣氣泡之尺寸有增加的趨勢。氦原子在石墨結構中的相對高擴散速率使碳界面層與纖維中的純碳區在材料退火時扮演一擴散通道的角色。因此碳化矽纖維與基材的含碳與否，可作為選擇核融合反應爐結構材料的要件之一。
觀察分別於800℃與1000℃使用矽離子和以1.1 x10-3dpa/sec之材料輻射損傷速率照射Hi-Nicalon Type-S/Py-C/CVI SiC複合材料達10dpa之微結構時發現碳化矽/碳化矽複合材料於高溫下的動態回復現象可有效消除因照射所導致材料原子排列的失序現象，並因此抑制非晶質結構的產生。此外，分別於800℃與1000℃下以氦離子、矽離子雙射束照射達1500appm/10dpa的分析結果顯示：即使氦原子的存在有助於在空孔聚集、成核初期使其穩定地成長至臨界尺寸，然而在本實驗的條件下仍因照射劑量不足而未有可觀察到的氦氣氣泡/空泡產生。

目 錄
頁次
目錄……………………………………………………………………..Ⅰ
圖目錄…………………………………………………………………..Ⅲ
表目錄…………………………………………………………………..Ⅷ
第一章、簡介…………………………………………………………….1
第二章、文獻回顧…….…………………………………………………5
2-1核融合反應……...…………..………………………………….5
2-2氘-氚核融合反應…………………...…………………………..7
2-3結構材料………………………………………………………..7
2-4碳化矽複合材料………………………………………………..9
2-4-1碳化矽纖維……………………………………………..10
2-4-2碳化矽基材………………..……………………………12
2-4-3界面層…………………………………………..………15
2-5碳化矽複合材料之輻射效應……………………...……..……17
第三章、實驗步驟與分析方法…………………………………………33
3-1SRIM-2000模擬程式………..…………………...………….…33
3-2照射設備……….……………………………..….………….…34
3-2-1范氏加速器……………………….………….…………34
3-2-2串級式加速器…………………………………………..35
3-2-3真空腔體…………………………………………..……35
3-3電子顯微鏡分析技術……………………………………...36
3-3-1電鏡試片製備…………………………………...……37
3-3-2電子束與樣品作用……………………..……………38
3-3-3電子顯微鏡系統……………………………………...40
3-3-4 X光能量分散光譜…………………………………...42
3-3-5 能量損失譜儀……………………………………….43
3-3-5-1 能量損失譜原理………………………………43
3-3-5-2能量損失譜……………………………………..44
3-3-5-3能量損失譜圖中碳元素π鍵和σ鍵的定量….47
第四章、實驗結果與討論….………………………………………….60
4-1碳化矽/碳化矽複合材料微結構分析……………………..60
4-1-1 Hi-Nicalon Type-S/Py-C/CVI SiC…………………60
4-1-2 Tyranno-SA/Py-C/LPS SiC...………………………62
4-2碳化矽複合材料之面強度研究…………..……………….63
4-3氦離子單射束照射之輻射效應…………….……………..65
4-4氦、矽離子雙射束照射之輻射效應………………………68
第五章、結論……………………………………………………………97
第六章、未來研究方向………………………………………………..100
參考文獻……………………………………………….....…………...101
圖目錄
圖2-1 原子核質量數與平均束縛能的關係圖…………….…………22
圖2-2 核融合反應中點燃電漿與維持能量平衡的電漿溫度-品質參數關係圖…………….……………………………………………22
圖2-3 以強磁場約束電漿的托卡馬克結構………………...……..…23
圖2-4 數種核融合反應之反應截面與溫度的關係圖……………….23
圖2-5 裂縫偏向、纖維與基材間剝離和纖維拉出等強化機制示意圖.................................................................................................24
圖2-6 2-6使用聚碳矽烷合成Nicalon纖維的流程………………....25
圖2-7 以反應性燒結法製備碳化矽複合材料之流程……………….26
圖2-8 化學氣相滲透法示意圖……………………………………….27
圖2-9 具溫度梯度及強迫反應性氣體通入的化學氣相滲透法…….27
圖2-10 以液相燒結法製備碳化矽複合材料流程圖………………….28
圖2-11 (a)、(b)碳化矽複合材料中界面層厚度對其彎曲強度的影響.................................................................................................28
圖2-12 (a)纖維/界面層界面強度強與(b)弱時複合材料的破壞行為………………………………………………………….........29
圖2-13 碳化矽複合材料中氦、氫原子產量及其產量與損傷程度的比
例隨厚度變化關係圖…………………………………….…….29
圖2-14 氦離子照射、1673K退火前後碳化矽複合材料界面強度變化…………………………………………………………..…...30
圖3-1 SRIM 2000程式之操作界面： (a)入射離子參數 (b)繪圖類型選擇視窗 (c)靶材參數 (d)計算結果 (e)繪圖視窗......................49
圖3-2 范氏加速器 (a)結構示意圖 (b)外觀………………………....50
圖3-3 串級式加速器 (a)結構示意圖 (b)外觀……………………....51
圖3-4 雙離子射束實驗設備 (a) 范氏加速器、串級式加速器與真空腔體之配置圖 (b) 高真空腔體 (c) 試片載具…………………52
圖3-5 雙離子射束實驗設備 (a)范氏加速器、串級式加速器與真空腔體 (b)試片座 (c)高溫照射實際情形…………………………53
圖3-6 穿透式電鏡試片製備流程…………………………………….54
圖3-7 高能電子束與薄樣品交互作用產生的訊號示意圖………….55
圖3-8 穿透式電子顯微鏡基本構造圖……………………………….56
圖3-9 (a)傳統熱游離式電子槍構造圖 (b)場發射式電子槍構造圖..57
圖3-10 3-10電子克服功函數φ脫離金屬表面示意圖……………….57
圖3-11 EDS訊號處理流程圖………………………………………….58
圖3-12 電子能量損失能譜…………………………………………….58
圖3-13 電子能量損失能譜定量π鍵之流程………………………….59
圖4-1 實驗材料、照射條件與分析流程圖……………...…………..74
圖4-2 Hi-Nicalon Type-S/Py-C/CVI SiC 纖維與基材間孔隙之掃瞄式
電鏡影像………………………………………………….……74
圖4-3 Hi-Nicalon Type-S 纖維之穿透式電鏡影像.............................75
圖4-4 Hi-Nicalon Type-S 碳化矽纖維之EDS成分分析75
圖4-5 Hi-Nicalon Type-S 纖維內純碳區之高分辨電鏡影像….…....76
圖4-6 Hi-Nicalon Type-S 纖維內純碳區之EDS成分分析76
圖4-7 化學氣相沈積法成長碳化矽基材之穿透式電鏡影像…….....77
圖4-8 化學氣相沈積法成長碳化矽基材之EDS成分分析…………77
圖4-9 Hi-Nicalon Type-S/Py-C/CVI SiC中碳界面層之EDS成分分析……………………………………………………………….78
圖4-10 Hi-Nicalon Type-S 纖維與碳界面層之高分辨電鏡影像….....78
圖4-11 Tyranno-SA/Py-C/LPS之低倍掃瞄式電鏡影像……...............79
圖4-12 Tyranno-SA/Py-C/LPS之掃瞄式電鏡影像…………………...79
圖4-13 Tyranno-SA纖維之穿透式電鏡影像………………………….80
圖4-14 Tyranno-SA碳化矽纖維之EDS成分分析…………………...80
圖4-15 Tyranno-SA纖維內部含碳區域之高分辨電鏡影像………….81
圖4-16 Tyranno-SA纖維內部含碳區域之EDS成分分析81
圖4-17 Tyranno-SA/Py-C/LPS複合材料中基材之穿透式電鏡影像…82
圖4-18 Tyranno-SA/Py-C/LPS複合材料中碳化矽基材之EDS成分分析………………………………………………………………..82
圖4-19 Tyranno-SA/Py-C/LPS基材與碳化層間之YAG結構及其繞射圖形………………………………………………………………..83
圖4-20 Tyranno-SA/Py-C/LPS基材與碳界面層間YAG之EDS成分分析………………………………………………………………..83
圖4-21 Tyranno-SA 纖維與碳界面層之高分辨電鏡影像....................84
圖4-22 Tyranno-SA/Py-C/LPS中碳界面層之EDS成分分析………..84
圖4-23 Tyranno-SA/Py-C/LPS 纖維與碳界面層間EELS之分析結果
zero loss 影像 (b) 碳元素π＊特徵能量損失之鍵結分佈 (c)能量損失譜圖……………………………………………………….85
圖4-24 以高斯函數近似EELS能量損失譜圖之結果(a)接近Tyranno-SA碳化矽纖維處(圖4-23-A) (b)遠離Tyranno-SA碳化矽纖維處(圖4-23-E)………………………………………………………….86
圖4-25 SRIM-2000程式模擬氦離子照射碳化矽材料後，其氦原子分佈深度與造成的空孔數目……………………………………….87
圖4-26 Hi-Nicalon type-S/Py-C/CVI 經1200℃退火後纖維內部之穿透式電鏡影像…………………………………………………….87
圖4-27 Hi-Nicalon type-S/Py-C/CVI 經1200℃退火後基材內部之穿透式電鏡影像…………………………………………………….88
圖4-28 Hi-Nicalon type-S/Py-C/CVI基材晶界氦氣氣泡之高分辨電鏡影像……………………………………………………………….88
圖4-29 Hi-Nicalon type-S/Py-C/CVI 經1400℃退火後基材內部之穿透式電鏡影像…………………………………………………….89
圖4-30 SRIM-2000程式模擬氦離子、矽離子照射碳化矽材料後，其氦原子分佈深度與矽離子造成的空孔數目…………………….89
圖4-31 以掃瞄式電鏡確認雙離子射束照射深度(a) 氦離子照射 (b) 矽離子照射……………………………………………………….90
圖4-32 4-32 (a)於800℃下以矽離子照射Hi-Nicalon type-S/Py-C/CVI達10dpa之穿透式電鏡影像 (b)纖維處之放大圖……………...91
圖4-33 (a)於1000℃下以矽離子照射Hi-Nicalon type-S/Py-C/CVI達10dpa之穿透式電鏡影像 (b)纖維處之放大圖……………...92
圖4-34 4-34 (a)於800℃下以氦離子、矽離子照射Hi-Nicalon type-S/Py-C/CVI達1500appm/10dpa之穿透式電鏡影像 (b)纖維處之放大圖…………………………………………………….93
圖4-35 4-35 (a)於1000℃下以氦離子、矽離子照射Hi-Nicalon type-S/Py-C/CVI達1500appm/10dpa之穿透式電鏡影像 (b)纖維處之放大圖……………………………………………………..94
表目錄
表2-1 碳化矽纖維經照射後其相對密度、質量及長度變化……….31
表2-2 數種碳化矽纖維成分機械性質比較表..……………….....32
表4-1 Hi-Nicalon Type-S/Py-C/CVI SiC 之製程參數……....…95
表4-2 Hi-Nicalon Type-S/Py-C/CVI複合材料之纖維、體積與孔隙體積分率…………………………………………………………..........96

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