锂、锡注入影响钨化学状态、结构和硬度研究

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液态Li具有可以抑制边界局域模、提高电子温度、减弱中子损伤等优点,而作为液态的Sn同样也具有低蒸发率、低熔点及不易形成氢化物等优点,因此两者成为液态面壁材料替代固态面壁材料W的最佳候选者。虽然对液态面壁材料,尤其是对液态Li进行了大量的实验研究,得到了好的结论,但是在聚变环境条件下,载能Li、Sn原子渗透到材料W中影响其化学、物理性能及结构变化,同时该变化也会影响H同位素滞留等严重问题。因此,研究Li与W和Sn与W之间的相互作用及其W性能的变化对面壁材料的应用具有一定的科学意义,同时采用了新的方法对W材料进行表面改性。  本文采用MEVVA离子源技术分别将Li、Sn离子注入到W基体中,制备出Li-W和Sn-W改性层,研究Li、Sn离子作用于W基体后,W的化学成分、化学状态、晶体结构和纳米硬度的变化及Li与W和Sn与W之间相互作用产生的缺陷分别对其表面性能和力学性能影响的探讨。通过SRIM程序模拟及XPS等多种检测手段对其分析,结果表明:1)Li、Sn离子分别注入到W基体后,形成一定深度的改性层,且Li-W改性层的厚度大于200 nm;2)Li、Sn离子分别注入W基体的过程中,两者与W之间强烈的相互作用导致W晶体结构发生变化,产生空位、间隙原子、晶格畸变等缺陷,分别造成衍射峰的变宽和变窄;3)近表面层Li、Sn、W的化学位移与O、C的化学反应有关系,改性层内的化学位移很可能是由于空位,间隙原子等点缺陷造成的,其中Li-W改性中W4f及Lils的结合能分别增大了0.3-0.5 eV和1.9-2.5 eV,而Sn-W改性层中W4f7/2、W4f5/2、W5p3/2及W4p1/2的结合能分别减小了0.3 eV,0.3 eV,0.4 eV,1 eV-1.4 eV,且Sn3d5/2和Sn3d3/2的结合能也减小,产生的化学位移分别为0.6eV-0.7eV,0.1 eV-0.3 eV,Sn-W改性层中两者结合能的降低很可能是由于Sn离子注入产生大量缺陷造成的;4)Li,Sn离子注入后,改性层中的纳米硬度与纯W基体相比,硬度明显增大;5)Li离子的注入改善了W的表面性能,提高了其表面能,这是由于Li离子的注入造成W空位、间隙原子等点缺陷引起的。
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