Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-3585
Durch Heliumimplantation verursachte Dehnungen wurden mit sehr hoher Empfindlichkeit
(im ppm Bereich) durch eine neue Methode bestimmt, welche auf der Durchbiegung
inhomogen implantierter, dünner (~0.3 mm) Proben beruht. Die Spannungsverteilungen
werden für diesen Fall mit der Methode der Finiten Elemente berechnet und
Beschränkungen analytischer Spannungsrechnungen werden angegeben. Volumenänderungen
dünner Siliziumcarbid-Proben und eines SiC/C Verbundmaterials wurden während
Heliumimplantation und während einer anschliessenden thermischen Erholung gemessen.
Die Ergebnisse zeigen, dass vorwiegend Verlagerungsdefekte für die Schädigung
verantwortlich sind, während das implantierte Helium eine untergeordnete Rolle
spielt, zumindest für Konzentrationen unter etwa 0.2 at%. Die meisten
Verlagerungsdefekte erholen sich unterhalb 1050°C. Ein Vergleich der Erholung der
Dehnung nach Implantation mit der von Proben, welche durch Polieren verformt wurden,
zeigt, dass in beiden Fällen im wesentlichen die gleichen Defekte erzeugt werden.
Helium wurde auch bei Raumtemperatur und bei 1000°C in eine Oberfläche eines
3x3 mm SiC/C Stabes implantiert, und zwar homogen bis zu Tiefen von 117 bzw. 254 [my]m.
Profilometrie zeigte eine grosse helium-induzierte Volumenaufweitung in der
implantierten Schicht, welche eine Durchbiegung der Stäbe verursachte. Bei
Heliumkonzentrationen über etwa 500 atppm in Schichten von 254 [my]m zeigte REM
spontane Rissbildung direkt unterhalb des implantierten Bereichs, wo die Zugspannung
am grössten ist. Keine spontane Rissbildung wurde für Konzentrationen bis etwa
1400 atppm unterhalb der 117 [my]m dicken Implantationsschicht beobachtet. Zur
Untersuchung des Einflusses von Helium auf die Materialfestigkeit wurde eine
rechnergesteuerte Drei-Punkt-Biegeapparatur, welche von Raumtemperatur bis 1000°C
betrieben werden konnte, auf einem REM Probenhalter installiert. Unterhalb der
kritischen Temperatur für Rissbildung wurden mit diesem Gerät Bruchspannungen
bestimmt. Die beobachteten Abhängigkeiten der Rissbildung von Parametern wie
Probengeometrie, Gitteraufweitung und angelegte Spannung sind in guter
Übereinstimmung mit analytischen und Finit Element Berechnungen. Die scheinbare
Bruchspannung von SiC/C im Drei-Punkt-Biegeversuch sinkt nach Heliumimplantation.
Wenn aber bestrahlungsinduzierte innere Spannungen berücksichtigt werden, ergibt
sich ein Anstieg der Bruchspannung, zumindest für Heliumkonzentrationen bis
200 atppm.
Die mikrostrukturellen Untersuchungen konzentrierten sich vorwiegend auf
Heliumagglomeration in Körnern von 4H- und 6H-SiC. Helium hat einen ausgepräten
Einfluß, auf die Mikrostruktur von SiC nach dem Anlassen. Eine dichte Population
nicht nur von Blasen, sondern auch von Versetzungsringen wird nach dem Anlassen
von heliumimplantiertem SiC beobachtet, während keine Schädigung nach Bestrahlung
ohne Implantation auftrat.Die Schädigung in heliumimplantiertem SiC nach dem
Anlassen zeigt drei klar getrennte Regionen: Korngrenzen (KG), verarmte Zonen
(oder defektfreie Gebiete) entlang KG (VZ) und die Matrix. Die VZ bieten die
Möglichkeit dünne Fasern frei von Defekten zu halten. Dies ist wichtig für die
Anwendung von SiCf/SiC Verbunden in künftigen Fusionsreaktoren. Heliumplättchen
wurden nach Heliumimplantation bei Raumtemperatur beobachtet und Rechnungen ergeben
Drücke von etwa 20 GPa in diesen Plättchen. Dies wäre das erstmalige Auftreten
von festem Helium bei Raumtemperatur. Komplexe bestehend aus z.T. facettierten
Blasen und sowohl einfachen als auch mehrfachen Versetzungsringen bildeten sich
nach dem Anlassen. Die Habitebenen dieser Komplexe, der Zwischengitterringe und
der Blasenfacetten wurden ermittelt. Die Zahl der Atome in den Versetzungsringen
ist innerhalb der Messgenauigkeit gleich der fehlenden Atome in den zugehörigen
Blasen.Dies ist die erste quantitative Bestätigung für die Annahme, daß das
Wachstum von Blasen durch das Ausstossen von Gitteratomen, (dem sogenannten Trap-
Mutations-Mechanismus) bewirkt wird.
Chen, Jiachao
Microstructure and fracture of helium implanted pure SiC and SiC/C composite
115 S., 1998
In der vorliegenden Arbeit wird eine detaillierte Untersuchung des Einflusses
von Heliumimplantation auf die Erzeugung und Erholung von Dehnung, Rissbildung
und Bruchspannung, sowie auf mikrostrukturelle Änderungen in einem SiC/C
Verbundwerkstoff und in reinem SiC vorgestellt, wie sie mittels Profilometrie,
DreiPunkt-Biegeversuch, Rasterelektronenmikroskopie (REM) und
Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) gewonnen wurden.
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