1、文章编号：0258-0926(2023)02-0104-05;DOI:10.13832/j.jnpe.2023.02.0104C 离子辐照对核级石墨硬度和杨氏模量影响研究郭丽娜，卞伟，彭顺米中国原子能科学研究院反应堆工程技术研究所，北京，102413摘要：为了探明离子辐照剂量和辐照温度对核级石墨硬度、杨氏模量及微观组织的影响，采用 0.02 dpa、0.2 dpa 和 2 dpa 剂量的 C4+分别在室温和 180 下辐照核级石墨，利用纳米压痕仪和透射电镜对不同离子辐照条件下核级石墨的性能和微观组织进行研究。结果表明：室温辐照时，硬度和杨氏模量均随着辐照剂量的增加而增加，辐照剂量为 2 dpa
2、 时，硬度与杨氏模量的峰值分别由未辐照时的 0.51 GPa 与 15.52 GPa 急剧增加到 2.51 GPa 与 37.73 GPa。180 辐照剂量为 0、0.02、0.2 dpa 时，硬度和杨氏模量也随着辐照剂量的增加而增加，均高于室温辐照相同辐照剂量下硬度和杨氏模量的峰值。当辐照剂量达到 2 dpa 时，硬度与杨氏模量的峰值从 0.2 dpa 的 1.72 GPa 和 31.53 GPa 迅速降为 1.32 GPa 和 25.91 GPa。石墨硬度和杨氏模量的增加是由于辐照导致石墨内部的微裂纹闭合和基体缺陷增加造成的，180 辐照 2 dpa 后硬度和杨氏模量的急剧降低是由于辐照导
3、致石墨发生了非晶化导致的。关键词：核级石墨；离子辐照；硬度；杨氏模量中图分类号：TL342文献标志码：AStudy on the Effect of C-ion Irradiation on Hardness andYoungs Modulus of Nuclear-grade GraphiteGuo Lina,Bian Wei,Peng ShunmiDivision of Reactor Engineering Technology Research,China Institute of Atomic Energy,Beijing,102413,ChinaAbstract:In order
4、to ascertain the effect of ion irradiation dose and temperature on thehardness,Youngs modulus and microstructure of nuclear-grade graphite,0.02 dpa,0.2 dpa and 2dpa C4+are used in this paper to irradiate nuclear-grade graphite at room temperature and 180,respectively.The properties and microstructur
5、e of nuclear-grade graphite under different ionirradiation conditions are studied by using nano indentor and transmission electron microscopy.Theresults show that the hardness and Youngs modulus increase with the increase of irradiation dose atroom temperature,when the irradiation dose is 2 dpa,the
6、peak values of hardness and Youngsmodulus increas sharply from 0.51 GPa and 15.52 GPa without irradiation to 2.51 GPa and 37.73GPa respectively.When the irradiation dose is 00.2 dpa at 180,the hardness and Youngsmodulus increase with the increase of irradiation dose,and they are higher than those at
7、 roomtemperature with the same irradiation dose,when the irradiation dose reaches 2 dpa,the peak valuesof hardness and Youngs modulus decrease rapidly from 1.72 GPa and 31.53 GPa of 0.2 dpa to 1.32GPa and 25.91 GPa.The increase of the hardness and Youngs modulus is due to the micro-crackclosure and
8、the increase of matrix defects in graphite caused by irradiation.The sharp decrease ofthe hardness and Youngs modulus at 180 is due to the amorphization of graphite structure causedby irradiation.Key words:Nuclear-grade graphite,Ion irradiation,Hardness,Youngs modulus 收稿日期：2022-06-13；修回日期：2022-07-03
9、基金项目：国防基础专项资助项目（167809）作者简介：郭丽娜（1981），女，研究员，现主要从事反应堆材料辐照损伤研究，E-mail: 第 44 卷第 2 期核 动 力 工 程Vol.44 No.22 0 2 3 年 4 月Nuclear Power EngineeringApr.2023 0 引言101 堆（HWRR）是我国第一座重水研究堆，该反应堆的反射层和热柱构件共由约 38 t 的苏制挤压石墨制备而成，当前 101 堆已进入退役阶段1。目前，放射性石墨的处理处置是世界性难题，还没有公认的成熟拆除技术和处理处置方法。另一方面，国内对石墨材料的研发起步较晚，核电国产化迫切要求获得材料的辐
10、照效应数据，但缺少关键核材料的辐照效应数据是我国走向核电强国的重要制约因素，开展核级石墨辐照效应研究具有重要的工程及科研意义。核级石墨在反应堆服役过程中，除了承受工程结构材料的负荷外，高能中子会和晶格原子发生碰撞形成各种组织缺陷2，进而导致石墨性能发生改变。辐照导致石墨的微观组织3-4及性能5-6变化非常复杂，与快中子剂量、辐照温度、石墨原材料和制备工艺等有关7。关于辐照对核级石墨的微观组织与性能变化之间关系研究报道较少，具体的损伤机理未有定论，尽管有些文献8-9提出了一些模型或机制来解释这些性能变化，其中一些研究侧重于研究单个性能，也有一些研究提出 2 种性能变化的关系，而这些研究很少将力学
11、性能变化与材料组织、晶体结构联系起来。另一方面，若采用中子辐照进行核材料研究伴随周期长、成本高以及大量高放射性废物的产生等问题。目前已有的实验和理论结果表明：高能重离子辐照是模拟研究堆内材料中由辐照引起的微观组织、结构和宏观力学性能变化的非常经济、安全和高效手段10-11。采用重离子辐照核材料模拟中子辐照产生的损伤的依据在于目前理论和实验证明重离子辐照与中子辐照对材料的辐照损伤具有相关性12。目前，公开报道的采用 C 离子辐照核级石墨的文献较少，仅有台湾中央大学的学者13开展了 C2+辐照石墨的相关研究。因此，本研究采用 C4+分别在室温和 180及不同剂量下辐照 101 堆用核级石墨，研究石
12、墨微观组织、结构及性能变化。由于离子辐照损伤层一般只有几百个纳米到数微米深度，普通的硬度测量方法不能获得辐照损伤层的信息，故采用纳米压痕仪对石墨离子辐照前后力学性能进行表征，得到石墨硬度、杨氏模量随压入深度的变化曲线，并建立组织、晶体结构变化与性能之间的联系。1 实验方法 1.1 辐照实验离子辐照用实验样品直接从 HWRR 用核级冷石墨砖块取样；石墨离子辐照实验在中国科学院近代物理研究所的 320 kV 高电荷态离子综合实验平台上进行。影响离子辐照损伤的主要参量是离子类型、离子能量、辐照剂量、辐照温度等因素。本研究中石墨离子辐照实验参数选择依据如下：（1）离子类型为避免外来元素辐照造成掺杂效应
13、，离子辐照一般应选用自离子进行辐照，根据加速器引出最优化的参数，离子源中正四价电荷态 C 离子占比最高，因此本研究选用 C4+作为辐照入射离子。（2）离子能量对于离子辐照，离子能量一般选择大于 1 MeV的高能区，在高能区进行离子辐照产生的辐照缺陷不会大量流到辐照材料的表面，更多地代表了材料辐照性质，可很好地模拟堆内材料的中子辐照损伤11。又通过对中国科学院近代物理研究所320 kV 高电荷态离子综合实验平台加速电压和引出流强最大的电荷态进行计算，得到的最优的能量值为 1.08 MeV。（3）辐照剂量根据 HWRR 石墨反射层构件的中子能谱、中子注量率和中子注量等数据，采用 SRIM 程序进行
14、辐照损伤计算，计算得到的石墨反射层平均损伤剂量约为 0.02 dpa。根据石墨中子辐照损伤计算结果，离子辐照损伤剂量选为0.02、0.2、2 dpa。最大离子辐照损伤剂量（2 dpa）选为石墨反射层平均损伤剂量的 100 倍，对应的辐照注量为相应剂量值的 1016 cm2。（4）辐照温度本实验离子辐照温度选择是根据 HWRR 石墨反射层构件的运行温度确定，石墨反射层在堆内的运行温度范围为 180300，本研究选择离子辐照温度为室温（停堆温度）和 180。（5）束流密度束流密度的选择需通过实验确定，一般选择加速器辐照时最稳定的束流强度，本研究离子辐照的束流密度为 2.3 A。1.2 样品测试本研
15、究采用美国 Nano Indenter XP 型纳米压郭丽娜等：C 离子辐照对核级石墨硬度和杨氏模量影响研究105 痕仪研究不同离子辐照条件下核级石墨的硬度和杨氏模量。利用 SRIM 程序进行计算，1.08 MeVC4+在石墨中产生的辐照损伤随辐照深度分布如图 1 所示。可以看出，当辐照损伤达到 2 dpa时，计算得到的最大辐照深度约为 1.25 m。采用聚焦离子束（FIB）沿着辐照方向取样对室温和180 下的不同辐照剂量后的石墨开展微观组织损伤研究，利用JEM-2100 型高分辨透射电镜（TEM）进行观察，测量得到不同辐照条件下实际辐照深度为 1.33 1.47 m。基于以上研究结果，为了降
16、低表面粗糙度、表面辐照非晶层等因素的影响，本研究纳米压痕仪试验压头压入深度选为 3 m。图 1 1.08 MeV C 离子在石墨中产生的损伤Fig.1 Damage Caused by 1.08 MeV C-Ion Irradiation inGraphite 2 结果及讨论 2.1 离子辐照对石墨硬度和杨氏模量影响图 2 和图 3 分别是辐照前后核级石墨硬度以及杨氏模量随压痕深度的变化图，图中每个数据点为 23 个测试点求平均所得，误差棒为 23 个测试数据分布的标准误差。可以看出，未辐照石墨样品的硬度和杨氏模量随着压入深度的增加几乎未发生变化，保持稳定，说明未辐照石墨不同压入深度的硬度和杨氏模量没有明显差异。辐照后，当压入深度在 3 m 附近时，辐照样品的硬度和杨氏模量与未辐照样品的数据几乎重合，说明此时的压入深度已超出表面辐照层，数据已经完全不受辐照层的影响，为未辐照石墨层的硬度和杨氏模量值。为了更方便地比较石墨硬度及杨氏模量随辐照剂量的变化趋势，图 4 给出了石墨硬度与杨氏模量峰值的平均值随辐照剂量的变化曲线。从图 4 可以看出，室温辐照时，硬度和杨氏模量均随着辐照剂量的增加而
