Радиация перераспределила атомы в керамическом карбиде кремния

Американские ученые обнаружили, что облучение керамического карбида кремния ионами приводит к увеличению концентрации атомов углерода вблизи границ зерен вещества. Ранее считалось, что такой процесс сегрегации атомов под воздействием радиации более характерен для металлов и сплавов, а не керамических материалов. Границы зерен в поликристаллах выполняют роль скрепляющего «цемента», поэтому изменение их химического состава может существенно влиять на свойства материала. Теперь ученые смогут точнее предсказывать результат воздействия радиации на свойства керамики и создавать устойчивые к агрессивным условиям керамические материалы. Статья опубликована в журнале Nature Materials.

Процесс радиационно-индуцированной сегрегации заключается в перераспределении атомов вещества под воздействием ионизирующего облучения. Бомбардирующие вещество частицы (например, ионы или нейтроны) выбивают атомы со своих мест, образуя пары точечных дефектов кристаллической решетки. Выбитый из узла кристаллической решетки атом превращается в междоузельный, а опустевший узел, в котором он находился — в вакансию. Эти дефекты могут рекомбинировать или мигрировать по кристаллу к стокам, роль которых выполняют, например, границы зерен в поликристаллах. Наличие таких границ в материале существенно сказывается на его физических свойствах, механической прочности, коррозионной и радиационной устойчивости. 

Благодаря процессу сегрегации под действием радиации вблизи межзеренных границ может образовываться избыток или недостаток конкретного элемента вещества, что приводит к локальному изменению свойств материала в этих областях. Такой эффект известен с 1970 годов и достаточно хорошо исследован во многих сплавах металлов, но в керамических материалах его практически не рассматривают.

Чтобы восполнить этот пробел, Изабела Шлюфарская (Izabela Szlufarska) из Университета Висконсин-Мадисон с коллегами облучили образцы керамического карбида кремния SiC ионами углерода и кремния. Этот материал они выбрали как типичный представитель керамики с ковалентной связью между атомами. Кроме того, карбид кремния рассматривается как материал для применения в ядерной энергетике и создания микроэлектромеханических устройств для работы в сложных условиях.

Для определения химического состава вблизи границ зерен и наблюдения за процессом сегрегации исследователи использовали сканирующий просвечивающий электронный микроскоп и спектроскопию характеристических потерь энергии электронами. В кристаллической структуре карбида кремния, созданного из высокочистых исходных ингредиентов, концентрация атомов углерода примерно равна 50 атомным процентам. Однако в образцах SiC, которые не подвергались облучению, ученые обнаружили нехватку атомов углерода вблизи границ зерен. Такое отклонение от ожидаемых значений они связали с тем, что зерна на границах имеют менее упорядоченную структуру, содержащую большее количество дефектов, чем в объеме.

Облучение образцов ионами углерода и кремния при температурах 300 и 600 градусов Цельсия привело к появлению заметного эффекта радиационно-индуцированной сегрегации атомов углерода, приблизив их концентрацию вблизи границ зерен к 50 атомным процентам. Более выраженным этот эффект был при температуре 300 градусов Цельсия. Нижняя граница температурного диапазона составляет 0,18 от температуры плавления карбида кремния, верхняя — 0,28. Для сплавов металлов же характерен температурный диапазон радиационно-индуцированной сегрегации от 0,3 до 0,5. Более низкие температуры для SiC говорят о том, что нельзя проводить анализ механизмов сегрегации простым переносом модели для металлов, тем более что, в отличие от металлов, точечные дефекты в керамике находятся в более сложном энергетическом ландшафте. 

Исходя из вычислений, основанных на теории функционала плотности, потенциальные барьеры, которые необходимо преодолеть для перемещения вакансий углерода и кремния, приводят к тому, что вакансии остаются практически неподвижными во всем наблюдавшемся температурном диапазоне. Потенциальный барьер, который необходимо преодолеть парам кремниевых дефектов (вакансия плюс междоузельный ион) для рекомбинации, меньше, чем для атомов углерода. В результате этого поток дефектов, мигрирующих к границам зерен, состоит в основном из междоузельных атомов углерода. При температуре 600 градусов Цельсия процесс рекомбинации междоузельных углеродов с вакансиями в объеме становится более активным, что приводит к снижению концентрации углерода вблизи границ зерен. 

Как отмечают авторы исследования, понимание процессов радиационно-индуцированной сегрегации в карбиде кремния поможет в предсказании воздействия радиации на свойства этого и других керамических материалов. Кроме того, возможно, что радиацию удастся использовать для «точной настройки» свойств межзеренных границ, а значит и всего материала в целом.

Ранее мы рассказывали о разработанном американскими учеными методе сверхбыстрого высокотемпературного спекания, который способен синтезировать объекты практически из любого керамического материала со сложной геометрией меньше чем за минуту. А российским материаловедам удалось создать материал с рекордной температурой плавления. По их оценкам, она находится в диапазоне от 4000 до 4200 градусов Цельсия.

Андрей Фокин