Fusion Technology:The Stability Of Porous SiC-Based Materials
Το καρβίδιο του πυριτίου είναι ένας ημιαγωγός με εξαιρετικές ιδιότητες που έχει προταθεί για εφαρμογές που απαιτούν εξαιρετικά υψηλή αντοχή στη θερμοκρασία, την ακτινοβολία και τη διάβρωση. Ειδικότερα, υλικά με βάση το SiC είναι υποψήφια για χρήση ως ένθετα καναλιών ροής (FCI), τα οποία αποτελούν μέρος των κουβερτών παραγωγής υγρών και τα οποία πρέπει να παρέχουν θερμική/ηλεκτρική μόνωση, καθώς και προστασία από τη διάβρωση στον πιο ευαίσθητο ανοξείδωτο χάλυβα που είναι χρησιμοποιείται για την κατασκευή των γενικών δομών μηχανών.
Τα υλικά που εργάζονται σε έναν μελλοντικό αντιδραστήρα σύντηξης θα υποβάλλονται σε ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας και ακτινοβολίας που μπορούν να τροποποιήσουν τις ιδιότητές τους. Συγκεκριμένα, τα λεγόμενα «λειτουργικά υλικά», αυτά που θεωρούνται για όχι αποκλειστικά δομικές εφαρμογές (μονωτές και ημιαγωγοί), είναι πιο ευαίσθητα στην ακτινοβολία από τα μέταλλα. Μελέτες έχουν δείξει ότι αλλαγές στη μικροδομή και τις ηλεκτρικές ιδιότητες του SiC λαμβάνουν χώρα ως συνέπεια της ακτινοβολίας. Τόσο οι αρχικές όσο και οι τροποποιημένες ιδιότητες που προκαλούνται από την ακτινοβολία εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από την κρυσταλλική δομή, τις ακαθαρσίες και τα πρόσθετα που καθορίζει η διαδικασία κατασκευής.
Το Τεχνολογικό Κέντρο Ceit-IK4 (Σαν Σεμπαστιάν, Ισπανία) και το Κέντρο Ερευνών για την Ενέργεια, Περιβάλλον και Τεχνολογία (CIEMAT) στη Μαδρίτη συνεργάζονται για την ανάπτυξη υλικών με βάση το SiC. Η άμεση ανατροφοδότηση μεταξύ των εργαστηρίων κατασκευής και δοκιμών επιτρέπει τον εντοπισμό αδύνατων σημείων υλικού προκειμένου να βελτιωθεί το τελικό υλικό.
Υλικό SiC με κατάλληλες θερμικές και ηλεκτρικές ιδιότητες, αποδεκτή μηχανική σταθερότητα και μειωμένο κόστος κατασκευάστηκε με μια μέθοδο που βασίζεται στο θυσιαστικό πρότυπο τεχνική. Με αυτή τη μέθοδο, μπορεί να παραχθεί πορώδες SiC με πορώδες μεταξύ 8 και 70% και διαφορετικές ιδιότητες.
Για αυτήν την εργασία, έχουν δοκιμαστεί δείγματα με πορώδες ~ 50% και εξετάστηκαν τα αποτελέσματα ακτινοβολίας/υψηλής θερμοκρασίας τόσο στη μικροδομή όσο και στην ηλεκτρική αγωγιμότητα. Οι ακτινοβολίες σε θερμοκρασίες λειτουργίας πραγματοποιούνται με ηλεκτρόνια 1,8 MeV στην εγκατάσταση Ciemat HVEC Van de Graaff. Η ηλεκτρική αγωγιμότητα μετριέται in situ πριν, κατά τη διάρκεια και μετά την ακτινοβόληση. Η κρυσταλλική δομή πριν και μετά την ακτινοβόληση εξετάζεται με ανάλυση XRD, χρησιμοποιώντας περιθλασίμετρο Pananlytical X-Pert.
Κατά την ακτινοβόληση. Προσωρινές επιπτώσεις.
Η μέτρηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας κατά την ακτινοβολία είναι μια πολύπλοκη εργασία, μια από τις δυσκολίες είναι ότι πρέπει να γίνει σε απόσταση (λόγω των υψηλών επιπέδων ακτινοβολίας στο δωμάτιο του επιταχυντή που καθιστούν αδύνατη την ανθρώπινη παρουσία), που απαιτεί περισσότερα από 25 μέτρα καλώδια με ειδική θωράκιση για ελαχιστοποίηση του θορύβου. Ωστόσο, είναι ουσιαστικό επειδή ορισμένα από τα αποτελέσματα που παράγονται από την ακτινοβολία εξασθενούν όταν τελειώνει η ακτινοβολία και πρέπει να γνωρίζουμε τι ακριβώς θα συμβεί κατά τη μελλοντική λειτουργία σε έναν αντιδραστήρα σύντηξης.
Η αγωγιμότητα που προκαλείται από την ακτινοβολία (RIC) είναι η αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας που λαμβάνει χώρα κατά την ακτινοβολία λόγω της διέγερσης φορέων φορτίου στη ζώνη αγωγιμότητας και είναι ένας από τους κύριους περιορισμούς που πρέπει να ληφθούν υπόψη στα μονωτικά υλικά για εφαρμογές σύντηξης. Ενώ η αύξηση μπορεί να επιτύχει αρκετές τάξεις μεγέθους για ορισμένα υλικά, το RIC βρέθηκε να είναι ανεκτό στα δείγματα SiC που ερευνήθηκαν σε αυτήν την εργασία.
Πριν και μετά την ακτινοβόληση. Μόνιμες επιπτώσεις. Αναλύσεις XRD.
Η ηλεκτρική αγωγιμότητα έχει μετρηθεί από τη θερμοκρασία δωματίου έως τους 550 ºC πριν και μετά την ακτινοβόληση (συνολική δόση 23 MGy). Μια αύξηση στην τιμή της αγωγιμότητας παρατηρείται σε όλο το εύρος, όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία τόσο πιο εμφανής. Τα δεδομένα XRD για το δείγμα πριν από την ακτινοβόληση δείχνουν υψηλή κρυσταλλικότητα, με την παρουσία εξαγωνικών φάσεων (6Η και 4Η πολύτυποι). Οι αλλαγές στην ηλεκτρική αγωγιμότητα μπορεί να σχετίζονται άμεσα με την τροποποίηση της κρυσταλλικής δομής που εντοπίστηκε. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες εξαρτώνται από τη δομή, με ποικίλο διάκενο ανάλογα με τον πολυτύπο SiC (3,2, 3,05 και 2,4 eV για 6Η, 4Η και 3C αντίστοιχα). Το μειωμένο διάκενο για τη δομή 3C μετά την ακτινοβολία συνεπάγεται αύξηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας.
Το εξεταζόμενο δείγμα έδειξε αύξηση στην ηλεκτρική αγωγιμότητα μετά την ακτινοβόληση (περίπου 90 % αύξηση στους 20 °C). Επιπλέον, παρατηρείται ένας μετασχηματισμός από εξαγωνική σε κυβική κρυσταλλική δομή, που μπορεί να είναι ο κύριος λόγος για αυτήν την τροποποίηση.
Αν και δεν βρέθηκε σοβαρό RIC και η ηλεκτρική αγωγιμότητα τόσο πριν όσο και μετά την ακτινοβόληση είναι κάτω από το μέγιστο που έχει θεωρηθεί αποδεκτό για FCI (~10 S/m), θα πρέπει να εκτελούνται μεγαλύτερες ακτινοβολίες σε πιο αντιπροσωπευτικές δόσεις για το τοπίο σύντηξης για την επικύρωση αυτών υλικά. Επιπλέον, θα πρέπει να δοθεί προσοχή στον παρατηρούμενο μετασχηματισμό φάσης και στην αμορφοποίηση που αναφέρεται από διαφορετικούς συγγραφείς, η οποία θα επηρεάσει όχι μόνο τη σταθερότητα της πυκνής εναπόθεσης SiC και τη συναρμολόγηση των μονάδων FCI που απαιτεί αυτή η εφαρμογή, αλλά και την καταλληλότητα αυτού του υλικού για δομικές εφαρμογές. Ωστόσο, απαιτούνται περαιτέρω δοκιμές για να ελεγχθεί η αναπαραγωγιμότητα αυτών των μετρήσεων.
