高通量氫等離子體對CX-2002U碳復(fù)合材料的化學(xué)侵蝕研究

郭恒鑫， 葉宗標(biāo)， 王 博， 陳建軍， 陳 波， 張 坤， 韋建軍， 芶富均

(1.四川大學(xué)原子與分子物理研究所， 成都 610064; 2.四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所， 成都 610064)

1 引 言

偏濾器是托卡馬克裝置重要的部件之一[1]，其抗熱沖擊能力和熱導(dǎo)率既要良好[2]，又需承受高達(dá)10 MW/m2的熱負(fù)荷. 由于碳原子序數(shù)低，碳材料的抗熱沖擊能力好，因此碳基材料被認(rèn)為是偏濾器靶板的備選材料之一. HL-2M(中國環(huán)流器二號M裝置)是中國新一代托卡馬克裝置，其偏濾器的備選材料之一便是CX-2002U碳纖維復(fù)合材料[3]. CX-2002U碳纖維復(fù)合材料作為一種以樹脂碳(含量為90%)為基體，以聚丙烯腈纖維為增強(qiáng)材料的二維毛氈型碳纖維復(fù)合材料，與石墨相比，其熱導(dǎo)率更高，機(jī)械性能更好.

在碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于HL-2M偏濾器前，等離子體對材料的化學(xué)侵蝕是需要考慮在內(nèi)的重要問題. 通過與氫等離子體對石墨的化學(xué)侵蝕相比發(fā)現(xiàn)，C/C復(fù)合材料的化學(xué)侵蝕產(chǎn)額較低[4]. 除此之外，之前的工作在高熱負(fù)荷環(huán)境下的等離子體對C/C復(fù)合材料的化學(xué)侵蝕[5-6]，高能量氫/氘等離子體對C/C復(fù)合材料的濺射[7-8]，低能氫等離子體對石墨材料的侵蝕[9-10]，以及氫原子在C/C復(fù)合材料的中的滯留[11-12]等方面也做出了很多研究，而高通量氫等離子體對C/C復(fù)合材料的研究卻極為有限. 針對氫等離子體對碳材料的化學(xué)侵蝕問題，本文通過使用直線等離子體裝置(SCU-PSI)模擬HL-2M偏濾器運(yùn)行的工作環(huán)境，探究了高通量(1.48×1023m-2·s-1)氫等離子體對CX-2002U碳纖維材料的化學(xué)侵蝕作用，從而為CX-2002U碳纖維材料能否作為HL-2M裝置的偏濾器材料提供一定的依據(jù).

2 實 驗

實驗所用的樣品是由東洋碳素株式會社生產(chǎn)的方形塊體CX-2002U碳纖維復(fù)合材料，經(jīng)機(jī)械切割后，每個樣品的尺寸為1.5 cm×1.5 cm×0.5 cm. 在對CX-2002U碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行輻照前，依次用丙酮、酒精、水對其進(jìn)行超聲波清洗以洗除切割以及長時間存放引入的雜質(zhì). 清洗完成后，把樣品置于50 ℃的鼓風(fēng)干燥箱中放置一夜，第二天早晨取出以確保樣品完全干燥.

在實驗中以三陰極級聯(lián)弧直流放電的方式來產(chǎn)生線性氫等離子體. 根據(jù)級聯(lián)弧放電產(chǎn)生氦等離子體特性的研究[13]，通過調(diào)節(jié)裝置的直流源電流(0～240 A)，系統(tǒng)的磁場強(qiáng)度(0～0.45 T)，通入腔室的氣體流量(0～5 000 sccm)來調(diào)控氫等離子體束的密度、能量[14]以及等離子束束斑的大??；通過朗繆爾探針的測量[15]和等離子體通量公式[13]的計算，得出氫等離子體通量為1.48×1023m-2·s-1時對應(yīng)的實驗參數(shù).

在此基礎(chǔ)上，分別對樣品輻照3、10、30、60和180 min以探究高通量氫等離子在不同輻照時間下對CX-2002U碳纖維復(fù)合材料的化學(xué)侵蝕效應(yīng). 除此之外，在輻照時間恒定的條件下，通過在氫氣中混合氦氣、氬氣來分析等離子體雜質(zhì)對氫等離子體侵蝕CX-2002U碳纖維復(fù)合材料的影響，并通過掃描電鏡來分析樣品微觀形貌在不同實驗條件下的變化.

圖1 高通量氫等離子體輻照樣品的裝置示意圖Fig.1 Device diagram of high-flux hydrogen plasma for irradiating sample

如圖1，樣品被放置在距離等離子體源0.39 m的基板上進(jìn)行氫等離子體輻照，并通過熱電偶檢測樣品的表面溫度. 通氣管道里的氫氣與鎢針尖端聚集的電子發(fā)生碰撞形成氫等離子體. 由于通氣管道和真空腔室之間存在巨大的壓強(qiáng)差，產(chǎn)生的等離子體從噴口噴出并快速向真空腔室擴(kuò)散[16]. 在系統(tǒng)磁場的作用下，氫等離子體被約束成線性等離子體束輻照到材料表面并與材料相互作用.

3.1 輻照時間對化學(xué)侵蝕的影響

當(dāng)?shù)入x子體的能量為1 eV左右時，其中各類粒子(H2、·H、H2+、H+、H-)[17]的能量遠(yuǎn)小于石墨材料的物理濺射閾值(～35 eV). 相比于物理濺射，此時氫等離子體對樣品的化學(xué)侵蝕占據(jù)了主導(dǎo)地位，所以本文采取Roth等人建立的模型[18-20]來解釋氫等離子體對碳材料的化學(xué)侵蝕過程，其簡單模型如圖2所示.

氫等離子體輻照后的樣品，其凈化學(xué)侵蝕產(chǎn)額與輻照前后的質(zhì)量損失、輻照時間以及氫等離子體束的通量有著密切的聯(lián)系，表達(dá)式[21]如下：

(1)

其中Ynet為凈化學(xué)侵蝕產(chǎn)額，NA為阿伏伽德羅常數(shù)，Δm為輻照前后樣品的質(zhì)量差，Mc為碳的摩爾質(zhì)量數(shù)，Φ為氫等離子體的通量，t為輻照時間. 通過計算得出樣品在不同輻照時間下的凈化學(xué)侵蝕產(chǎn)額，見表1.

圖2 Roth等人[18-20]提出的氫等離子體侵蝕碳材料的簡單模型

表1 不同輻照時間下，氫等離子體對樣品的侵蝕

表1顯示，樣品表面溫度均大于400 ℃，從圖2可以推斷出在不同輻照時間下氫等離子體侵蝕樣品的化學(xué)過程是一致的. 隨著輻照時間的增加，樣品凈化學(xué)侵蝕產(chǎn)額的變化趨于穩(wěn)定. 但在輻照時間為10 min時，樣品的質(zhì)量損失突然降低約兩個數(shù)量級，本文通過結(jié)合樣品SEM圖片來分析了這一異?，F(xiàn)象，如圖3.

從圖3(b)可以看出，樣品表面布滿了納米級的球形顆粒，經(jīng)EDS分析，如圖4，其主要組成元素為碳元素，它們緊緊依附在樣品表面，緩解了氫等離子體對樣品的進(jìn)一步侵蝕. 輻照10 min時，如圖3(c)，樣品表面的碳顆粒沿著纖維表面的紋路密集分布. 這些再沉積碳顆粒降低了樣品整體的侵蝕產(chǎn)額，也是樣品被氫等離子體輻照10 min后的凈化學(xué)侵蝕產(chǎn)額低于3 min的重要原因.

圖3 (a～f)分別為樣品被輻照0、3、10、30、60和180 min的微觀結(jié)構(gòu)形貌Fig.3 (a)～(f) The SEM images of samples irradiated by hydrogen for 0,3,10,30,60 and 180 min，respectively

圖4 沉積顆粒的能譜圖Fig.4 The energy spectrum diagram of deposited particles

當(dāng)輻照時間達(dá)到30 min時，樣品表面的尺寸較大的球形顆粒已經(jīng)消失不見，只在樣品表面的溝壑和隆起的地方集中分布著一些尺寸較小的顆粒. 輻照時間達(dá)到60 min后，樣品表面的顆粒數(shù)量再次減少，這說明隨著輻照時間的增加，再沉積的碳顆粒逐漸被氫等離子體侵蝕. 除此之外，樣品表面的侵蝕痕跡更加明顯. 當(dāng)輻照時間達(dá)到180 min時，樣品的表面再次出現(xiàn)納米級的球形顆粒，其形態(tài)與樣品被輻照3 min時表面的顆粒形態(tài)相同，這意味著此時氫等離子體對樣品又進(jìn)行著新一輪的化學(xué)侵蝕.

3.2 等離子體雜質(zhì)對化學(xué)侵蝕的影響

為探究等離子體雜質(zhì)對氫等離子體侵蝕CX-2002U碳纖維復(fù)合材料的影響，在通氣流量恒定(1 200 sccm)的條件下，分別在氫氣中混入少量的氬氣(1 128 sccm H2+72 sccm Ar)、氦氣(1 128 sccm H2+72 sccm He)以產(chǎn)生混合等離子體，經(jīng)過朗繆爾探針系統(tǒng)的檢測得出，混合等離子體的通量均在1023m-2·s-1這一量級，其具體參數(shù)以及樣品的凈化學(xué)侵蝕產(chǎn)額如表2.

表2 通入混合氣體產(chǎn)生的等離子體參數(shù)及樣品的凈化學(xué)侵蝕產(chǎn)額

從表2可以得出，樣品被氫等離子體以及混合等離子體輻照后，其凈化學(xué)侵蝕產(chǎn)額均處于同一數(shù)量級，這說明樣品的凈化學(xué)侵蝕產(chǎn)額在這些條件下處于飽和的狀態(tài). 但從樣品的質(zhì)量損失上看，混合等離子體對碳材料造成的質(zhì)量損失比純氫等離子體大了許多，這就說明通入雜質(zhì)氣體會增強(qiáng)氫等離子體束侵蝕碳材料. 除此之外通入雜質(zhì)氣體的氫等離子體對樣品微觀結(jié)構(gòu)破壞也更加明顯，如圖5所示.

圖5 (a～c)分別為樣品被氫等離子體、混合(1 128H2+72Ar,1 128H2+72He)等離子體輻照后不同放大倍率的SEM圖Fig.5 (a～c) The SEM images of samples irradiated by hydrogen plasma and hydrogen plasma containing impurities,respectively

圖5(a)為氫等離子體輻照后的樣品的微觀形貌圖，其中可以看到大面積的沉積顆粒(化學(xué)侵蝕過程中再沉積的烴類碳?xì)浠衔?聚集在樣品的溝壑處. 通過對比圖5(a)與圖5(c)，可以很明顯的看出在通入雜質(zhì)氣體后，沉積顆粒集中分布在樣品表面的現(xiàn)象已經(jīng)消失，纖維編制的方式更加清晰. 由于氬氣或氦氣電離產(chǎn)生等離子體不能與樣品發(fā)生反應(yīng)，所以雜質(zhì)氣體電離產(chǎn)生的等離子體僅對樣品表面進(jìn)行清洗，減少了碳?xì)浠衔锏脑俪练e量，導(dǎo)致樣品的凈化學(xué)侵蝕產(chǎn)額Ynet增高. 因此從樣品被輻照后的微觀形貌來看，雜質(zhì)氣體產(chǎn)生的等離子體通過濺射沉積在樣品表面的碳?xì)浠衔飦碓鰪?qiáng)氫等離子體對CX-2002U碳纖維復(fù)合材料的侵蝕.

4 結(jié) 論

通過模擬偏濾器工作環(huán)境的等離子體條件，分析了高通量(1.48×1023m-2·s-1)氫等離子體對CX-2002U碳纖維復(fù)合材料的化學(xué)侵蝕作用. 除此之外，通過在氫氣中混入雜質(zhì)氣體(氬氣、氦氣)，探究了雜質(zhì)對氫等離子體侵蝕樣品的影響，并得出以下結(jié)論：

(1) 通量為1.48×1023m-2·s-1的氫等離子體對CX-2002U碳纖維復(fù)合材料的侵蝕是一個隨時間周期循環(huán)的過程. 氫等離子體侵蝕樣品時，樣品表面先會形成再沉積顆粒以緩解氫等離子體的侵蝕. 隨著時間的增長，再沉積顆粒逐漸被侵蝕，侵蝕完成后，樣品表面會重新出現(xiàn)再沉積顆粒.

(2)氫氣中混入氬氣或氦氣時，混合等離子體中的雜質(zhì)元素會對樣品表面的再沉積顆粒形成濺射，從而增強(qiáng)氫等離子體對樣品的化學(xué)侵蝕.