SiC is considered as a structural and functional material in fusion reactors due to its exceptional radiation resistance, chemical inertness, and low neutron absorption cross-section. When exposed to high-energy neutrons, energetic helium ions are produced in SiC through transmutation reactions, which can significantly influence its microstructure and thermal conductivity. This study investigates the microstructure and thermal conductivity of SiC irradiated with helium ions. Grazing incidence x-ray diffraction (XRD) patterns reveal lattice spacing expansion and tensile strain induced by irradiation. Raman spectra indicate that irradiation severely breaks the SiC4 tetrahedral units. Transmission electron microscopy imaging and selected area electron diffraction confirm that irradiation induces structural damage, helium bubble formation, and amorphization, consistent with the findings of XRD and Raman spectroscopy. The time-domain thermoreflectance method was employed to characterize the thermal conductivity of the irradiated layer. The results demonstrate a fluence-dependent degradation of thermal conductivity with increasing fluences. Specifically, the thermal conductivity decreased from approximately 190 W (m·K)−1 for unirradiated SiC to around 4.65 W (m·K)−1 at a fluence of 2 × 1017 ions cm−2 (5.46 dpa). This trend clearly links the accumulation of defects and the degree of amorphization to increased phonon scattering, which is responsible for the reduction in thermal conductivity.
SiCは、その卓越した耐放射線性、化学的不活性、および低い中性子吸収断面積により、核融合炉における構造材料および機能材料として考えられている。高エネルギー中性子に曝されると、SiC中では核変換反応によって高エネルギーヘリウムイオンが生成され、その微細構造と熱伝導率に有意な影響を及ぼす可能性がある。本研究では、ヘリウムイオンを照射したSiCの微細構造と熱伝導率を調査した。斜入射X線回折(XRD)パターンは、照射によって誘起される格子間隔の膨張と引張ひずみを明らかにする。ラマンスペクトルは、照射がSiC4四面体ユニットを深刻に破壊することを示している。透過型電子顕微鏡観察および選択領域電子回折により、照射が構造損傷、ヘリウムバブルの形成、および非晶質化を誘起することが確認され、これはXRDおよびラマン分光法の結果と一致する。時間領域サーモリフレクタンス法を用いて、照射層の熱伝導率を特性評価した。結果は、フルエンスの増加に伴う熱伝導率のフルエンス依存性の低下を示す。具体的には、熱伝導率は、未照射SiCの約190 W (m·K)^−1 から、2 × 10^17 ions cm^−2 (5.46 dpa) のフルエンスで約4.65 W (m·K)^−1 まで低下した。この傾向は、欠陥の蓄積および非晶質化の程度がフォノン散乱の増加に明確に関連していることを示しており、それが熱伝導率の低下の原因となっている。