This study investigates the intricate mechanisms that govern irradiation damage in high-entropy ceramic materials. Specifically, we synthesized (Hf0.2Zr0.2Ta0.2Nb0.2Ti0.2)C high-entropy carbide ceramics (HECC) with a single-phase rock-salt structure using spark plasma sintering. These ceramics were then subjected to irradiation with 1.08 MeV C ions, resulting in a dose of 7.2 dpa (dpa: displacements per atom) at both room temperature (RT) and 500 °C. To understand the resulting damage structure, we analyzed bulk irradiated HECC samples using Grazing Incidence X-ray Diffraction (GIXRD) and Transmission Electron Microscope (TEM) at both irradiation temperatures. GIXRD analysis revealed an average tensile strain out-of-plane of 0.16% for RT irradiation and 0.14% for irradiation at 500 °C. In addition, TEM analysis identified a buried damaged band, approximately 970 nm thick, under both irradiation temperatures. By employing the bright field TEM imaging technique under kinematic two-beam conditions, dislocation loops of both a/3 〈111〉{111} and a/2 〈110〉{110} types within the damaged band were observed. Furthermore, our analysis indicated an increase in the average size of the total dislocation loops within the band from 1.2 nm to 1.4 nm as the density decreased. Importantly, no amorphization, precipitates, or voids were detected in the damaged band under both irradiation temperatures. Denstiy functional theory (DFT) simulations indicated that carbon predominantly resides in 〈110〉 split interstitial sites causing lattice expansion, while vacancies, particularly Nb, induced compression along the c-axis. Carbon atoms tend to bond when collectively present in the <110> split interstitial sites, contributing to the formation of interstitial loops.

Abstract First-principles calculations are used to investigate the effects of stacking faults (SFs) on helium trapping and diffusion in cubic silicon carbon (3C-SiC). Both extrinsic and intrinsic SFs in 3C-SiC create a hexagonal stacking sequence. The hexagonal structure is found to be a strong sink of a helium interstitial. Compared to perfect 3C-SiC, the energy barriers for helium migration near the SFs increase significantly, leading to predominant helium diffusion between the SFs in two dimensions. This facilitates the migration of helium towards interface traps, as confirmed by previous experimental reports on the nanocrystalline 3C-SiC containing a high density of SFs. This study also reveals that the formation of helium interstitial clusters near the SFs is not energetically favored. The findings from this study enhance our comprehension of helium behavior in faulted 3C-SiC, offering valuable insights for the design of helium-tolerant SiC materials intended for reactor applications.

In this study, single crystal (sc) and nanocrystalline (nc) 3C-SiC samples were subjected to 30 keV He ion irradiation across various doses while maintaining a temperature of 800 °C. Employing techniques including Raman spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM), and nanoindentation, the alterations in microstructure and hardness resulting from He irradiation with various fluences were examined. In sc-SiC, irradiation prompted the formation of He platelets, resulting in a hardness increase of 7 GPa. In contrast, nc-SiC, characterized by a higher stacking fault density, exhibited the formation of bubbles, primarily at grain boundaries (GBs), with fewer occurrences within the grain interior, leading to a hardness increase of 1 GPa. Notably, in both sc- and nc-SiC, hardness reached saturation and subsequently stabilized or declined with increasing He fluence. Through molecular dynamics (MD) cascade simulations, we discerned that various planar defects do not uniformly contribute to enhancing radiation resistance. For example, intrinsic stacking faults (ISF) and twins in SiC played a substantial role in altering defect density and configurations, thereby facilitating point defect annihilation. Conversely, extrinsic stacking faults (ESF) and Σ3 GBs had a limited impact on defect production during a cascade. Furthermore, calculations of cluster diffusivity revealed an accelerated movement of He-vacancy towards GBs compared to bulk material and other planar defects. Moreover, the scarcity of point defects and constrained mobility of He atoms towards stacking faults in nc-SiC elucidated the marked tendency of He to form platelets in sc-SiC. Additionally, our findings established a correlation between the calculated indentation hardness and the geometry of He defects, consistent with experimental results from nanoindentation. These results significantly contribute to ongoing efforts to design SiC materials with heightened radiation tolerance.