Radiation effects in ceramic materials

Ceramics are a large class of solids with a wide spectrum of applicability and with extraordinary diversity of structure, bonding, behaviors and properties. Because of such complexities and the many ramifications of the subject, it is difficult to provide an overview or their behavior under irradiation. The first part of this work focuses on the properties and characteristics that make ceramics a particular class of materials, with subsequent attention on how these aspects are affected by radiation. A great deal of work is dedicated to primary damage in ceramics, in particular to the measurement and calculation of threshold displacement energies, the molecular dynamics (MD) simulations used to calculate such energies, essential to the understanding of the formation of point and extended defects, and to the topology and evolution of displacement cascades. The next part attempts at reviewing the different experimental techniques that, combined with simulation tools, provide an invaluable tool for the understanding of the evolution of ceramics under irradiation. The last part focuses on the process of aging of ceramics in these conditions, with emphasis on the microstructural changes and processes such as phase changes and amorphization.

I materiali ceramici costituiscono una vasta classe di solidi con una grande versatilità di applicazioni e con una straordinaria varietà di struttura, di legami chimici, di comportamenti e proprietà. A causa della complessità e alle suddivisioni di questo argomento, risulta difficile fornirne una visione precisa del loro comportamento sotto irraggiamento. La prima parte di questo lavoro si occupa delle proprietà e delle caratteristiche che fanno dei materiali ceramici una classe particolare, con successivo approfondimento sulla variazione di questi aspetti sotto l’effetto della radiazione. Una parte preponderante di questo lavoro è dedicata al danno primario che la radiazione produce sui materiali ceramici, in particolare alla misurazione e al calcolo delle energie di soglia per lo spostamento (threshold displacement energy, TDE) per la formazione di difetti puntuali. Inoltre, vengono trattate le simulazioni usate per calcolare l’energia secondo il metodo della dinamica molecolare (MD), metodi essenziali per capire la formazione dei difetti sia puntuali che lineari e planari; nonché per comprendere la topologia e l’evoluzione delle cascate di spostamenti. La parte successiva del lavoro affronta le tecniche sperimentali che assieme ai metodi di simulazione forniscono gli strumenti base per comprendere l’evoluzione dei materiali ceramici sotto irraggiamento. L’ultimo capitolo tratta l’invecchiamento dei materiali ceramici sotto queste condizioni, enfatizzando i cambiamenti microstrutturali e i processi di cambiamento di fase e amorfizzazione.