Abstract
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。