增材制造碳化硅微观结构的离子辐照行为

郭帅科; 胡逊祥; 滕常青; 崔丽娟

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2026.04.12

智能新核增材未来 | 浏览量 : 0 下载量: 64 CSCD: 0

PDF
导出
分享
收藏
专辑

增材制造碳化硅微观结构的离子辐照行为
Ion Irradiation Behavior of Additively Manufactured Silicon Carbide Microstructure
2026年56卷第4期页码：98-104
收稿：2025-12-09，

修回：2026-02-25，

纸质出版：2026-04-20
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2026.04.12
稿件说明：

移动端阅览

郭帅科，胡逊祥，滕常青，等.增材制造碳化硅微观结构的离子辐照行为［J］.电焊机，2026，56（4）：98-104. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2026.04.12.

GUO Shuaike, HU Xunxiang, TENG Changqing, et al.Ion Irradiation Behavior of Additively Manufactured Silicon Carbide Microstructure[J].Electric Welding Machine, 2026, 56(4): 98-104. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2026.04.12.

摘要

粘合剂喷射成形（BJ）结合化学气相渗透（CVI）的增材制造技术能够制备高纯度、大尺寸、复杂形状的碳化硅，是解决核用碳化硅材料制备问题的重要候选技术路线。但该工艺制备的碳化硅特别是CVI沉积碳化硅在辐照条件下的稳定性仍缺乏研究，制约了其作为核级材料的进一步发展。本研究采用平均粒径为20 μm的高纯度碳化硅粉末，通过BJ+CVI工艺制备了直径20 mm、厚度1.5 mm的增材碳化硅圆片样品，其密度平均值为2.70 g/cm

，为理论密度的84%。使用3 MeV的Si

离子在500 ℃，800 ℃下将样品辐照至10 dpa，采用透射电子显微镜（TEM）对辐照前后的CVI沉积碳化硅的微观结构进行了表征。结果表明，CVI沉积碳化硅在离子辐照后未见明显的微孔洞和位错环，也没有出现非晶化，表现出良好的辐照稳定性。

Abstract

Additive manufacturing combining binder jetting (BJ) with chemical vapor infiltration (CVI) is capable of producing high-purity

large-sized

and geometrically complex silicon carbide (SiC)

making it a promising candidate for resolving the fabrication challenges of SiC as a nuclear-grade material. However

the microstructural evolution under ion irradiation of SiC produced by this approach

particularly the CVI-SiC

remains insufficiently studied

which limits its development. In this study

SiC powder with an average particle size of 20 μm was used to fabricate additively manufactured SiC (AM-SiC) specimens with a diameter of 20 mm and a thickness of 1.5 mm via the BJ+CVI

which achieved an average density of 2.70 g/cm³. AM-SiC specimens were irradiated with 3 MeV Si²⁺ ions at 500 ℃ and 800 ℃ to 10 dpa. The microstructure of the CVI-SiC before and after irradiation was characterized using transmission electron microscopy (TEM). No significant irradiation-induced voids

dislocation loops

or amorphization were observed in the CVI-SiC after ion irradiation

demonstrating its excellent irradiation stability.

关键词

Keywords

references

Zinkle S J ， Was G S . Materials challenges in nuclear energy ［J］. Acta Materialia ， 2013 ， 61 （ 3 ）： 735 - 758 .

Snead L L ， Nozawa T ， Katoh Y ， et al . Handbook of SiC properties for fuel performance modeling ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2007 ， 371 （ 1/3 ）： 329 - 377 .

Mouche P A ， Terrani K A . Steam pressure and velocity effects on high temperature silicon carbide oxidation ［J］. Journal of the American Ceramic Society ， 2020 ， 103 （ 3 ）： 2062 - 2075 .

Katoh Y ， Snead L L . Silicon carbide and its composites for nuclear applications–Historical overview ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2019 ， 526 ： 151849 .

Hu Xunxiang ， Koyanagi T ， Zhao Jiangtao ， et al . Microstructural evolution of 3C-SiC exposed to simultaneous neutron irradiation and helium implantation ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2018 ， 509 ： 366 - 376 .

Oh J W ， Park J ， Nahm S ， et al . SiC-Si composite part fabrication via SiC powder binder jetting additive manufacturing and molten-Si infiltration ［J］. International Journal of Refractory Metals and Hard Materials ， 2021 ， 101 ： 105686 .

Terrani K A ， Kiggans J O ， Silva C M ， et al . Progress on matrix SiC processing and properties for fully ceramic microencapsulated fuel form ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2015 ， 457 ： 9 - 17 .

Liu Guo ， Zhang Xiaofeng ， Chen Xuliang ， et al . Additive manufacturing of structural materials ［J］. Materials Science and Engineering：Reports ， 2021 ， 145 ： 100596 .

Koyanagi T ， Terrani K ， Harrison S ， et al . Additive manufacturing of silicon carbide for nuclear applications ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2021 ， 543 ： 152577 .

Bose S ， Akdogan K E ， Balla K V ， et al . 3D printing of ceramics：Advantages，challenges，applications，and perspectives ［J］. Journal of the American Ceramic Society ， 2024 ， 107 （ 12 ）： 7879 - 7920 .

Byun T S ， Lach T G ， Parish C M ， et al . Mechanical and Thermophysical Properties of 3D-Printed SiC Before and After Neutron Irradiation–FY21 ［R］. Oak Ridge National Laboratory（ORNL），Oak Ridge，TN（United States）， 2021 .

Terrani K ， Jolly B ， Trammell M . 3D printing of high‐purity silicon carbide ［J］. Journal of the American Ceramic Society ， 2019 ， 103 （ 3 ）： 1575 - 1581 .

Terrani K A ， Lach T ， Wang H ， et al . Irradiation stability and thermomechanical properties of 3D-printed SiC ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2021 ， 551 ： 152980 .

Lach T G ， Le Coq A G ， Linton K D ， et al . Characterization of radiation damage in 3D printed SiC ［J］. Journal of Nuclear Materials ， 2022 ， 559 ： 153459 .

唐斌，孙诗奇，卢林远，等 . 增材制造碳化硅核燃料包壳元件及其芯块热传导行为模拟研究［J］. 现代技术陶瓷， 2024 ， 45 （ 04 ）： 325 - 338 .

TANG B ， SUN S Q ， LU L Y ， et al . Study on Additive Manufacturing and Densification of Silicon Carbide for Nuclear Fuel Elements ［J］. Advanced Ceramics ， 2024 ， 45 （ 04 ）： 325 - 338 .

Lv Xinyuan ， Ye Fang ， Cheng Laifei ， et al . Fabrication of SiC whisker-reinforced SiC ceramic matrix composites based on 3D printing and chemical vapor infiltration technology ［J］. Journal of the European Ceramic Society ， 2019 ， 39 （ 11 ）： 3380 - 3386 .