Abstract
本研究主要目的是針對做為核融合反應爐爐壁的材料受高能粒子撞擊後之微結構變化，爐壁材料是使用碳化矽纖維強化碳化矽基材複合材料，其具有高熱傳導性、低活性及較佳之高溫機械性質等。 由於核融合反應爐爐壁會承受高能中子撞擊及同時因(n,a)反應所產生之氦原子和由氘所造成之氘原子存於材料中，爐壁溫度約1000℃。為模擬材料在反應時所承受之粒子撞擊，本實驗使用本校加速器進行氦離子單射束照射及氦離子、矽離子雙射束照射，以瞭解材料內部微結構之變化，進而改善製程。 在未照射微結構方面，由於界面層對複合材料之機械性質影響很大，界面層強度決定於界面粗糙度及鍵結強度，由電鏡影像發現裂縫大多沿著粗糙度較高處移動，即沿著接近纖維處延伸，故利用電子能量損失譜儀分析技術對界面層進行細部分析。由連續影像能譜法發現在接近纖維處有較高比例之sp2鍵結，經由碳元素電子能量損失能譜圖之□鍵及□鍵的半定量結果顯示□*比例由接近纖維之37％降至接近基材之20％。當□*比例較高時即代表鍵結較弱，此結果可解釋接近纖維之粗糙度較高，但裂縫卻沿著纖維處延伸，主要由於碳層鍵結型態不同，而不是由表面粗糙度決定。 在氦離子照射方面，利用加速器於室溫照射氦離子10000ppm、2MeV，再使用中科院退火爐進行1000℃、1200℃、1400℃，10-5 torr退火，發現複合材料中，有碳的部份，如碳層或纖維內之含碳區，由於氦原子在石墨中之擴散速率較在碳化矽中高30倍，會扮演有如擴散通道的角色，故無論退火溫度為何，碳層中都沒有發現氦原子的聚集，在纖維中亦只有少量的氦原子聚集在碳化矽晶粒內及晶界上；在CVI基材方面，由於幾乎是純的碳化矽晶粒，氦原子不易移動，在1000℃退火下，並未觀察到氦原子的聚集，然而在1200℃及1400℃退火下，發現氦原子聚集在碳化矽晶界上形成氦氣泡，並隨著退火溫度升高氦氣泡有變大的趨勢，此現象會造成沿晶破裂，使複合材料的機械強度下降。 在雙射束照射方面，文獻指出當照射量為100dpa/15000ppm照射溫度為1000℃時，在除了雙射束照射區外，皆沒有發現空泡的存在，相信氦原子對於氦氣泡/空泡的形成有相當大的影響。本實驗進行10dpa/1500ppm雙射束照射，猜測可能由於照射量不足，在800℃及1000℃微結構皆沒有產生變化。建議未來可選擇更高劑量之照射，以瞭解更高劑量時分別對複合材料之纖維、碳層及基材微結構之影響。