氧化物陶瓷阻氚涂层的研究进展

利用阻氚涂层(TPB)降低结构材料中的氚损失,是聚变堆发展中的热点研究之一。陶瓷具有低氚渗透性、耐腐蚀性、高硬度和高热稳定性等特性,是目前聚变堆阻氚涂层首选材料。相对于硅化物、钛基等非氧化物陶瓷材料,氧化物陶瓷涂层具有熔点高、化学性质稳定、耐腐蚀性和阻氚渗透因子(PRF)高等优势,因此针对氧化物陶瓷阻氚涂层的研究较多。主要综述了单一氧化物陶瓷、复合氧化物陶瓷阻氚涂层近年来的研究现状与发展,如Y2O3、Er2O3、Al2O3等及其复合氧化物陶瓷材料,其中,因Al2O3及其复合物涂层具有优异的阻氚性能,得到了广泛的关注和研究。重点阐述了制备工艺、基体效应和辐照等影响氧化物陶瓷涂层阻氚性能的因素及氚在材料中的渗透机制,并分析了当前阻氚涂层在材料制备以及模拟服役环境等方面存在的不足与今后的研究重点,指出了未来可能的氧化物陶瓷阻氚涂层,以期为阻氚涂层的研究与后续实验提供一定的方向。

Al_2O_3/Au/Al_2O_3层状阻氚薄膜

采用磁控溅射法在316L不锈钢基体上分别沉积单层Al2O3膜、单层Au膜以及Al2O3/Au/Al2O3层状薄膜。采用气相渗透法在500℃,氘分压为0.06 MPa条件下测试了薄膜的阻氘性能。结果表明,3种薄膜氘渗透后,薄膜的形貌良好,无开裂、无剥落的现象,氘渗透率减低因子均比316L不锈钢基材增大一个数量级以上,阻氘效能按单层Al2O3膜、单层Au膜以及Al2O3/Au/Al2O3层状薄膜依次递升。Al2O3/Au/Al2O3层状薄膜的优异阻氘效能可归因于,延性的Au夹层使层状薄膜的力学性能得到显著提高;Al2O3层能阻止Au与基体间互扩散,使Au能充分发挥阻氘效能。本研究表明,由贵金属与陶瓷阻氚材料构成的层状薄膜是发展阻氚涂层的新途径。

磷酸盐体系正向电压对ZrH1.8表面阻氢陶瓷层的影响

磷酸盐电解液体系下,以CeO2作为电解液添加剂,采用恒压模式对氢化锆(ZrH1.8)表面进行微弧氧化(MAO)处理,研究正向电压对陶瓷层厚度、相结构、形貌,结合力以及阻氢渗透性能的影响。利用扫描电镜(SEM)、 X射线衍射仪(XRD)、涂层测厚仪、涂层划痕仪,分别分析了陶瓷层的表面和截面形貌、相结构、陶瓷层厚度以及膜层与基体的结合力,通过真空脱氢实验评价陶瓷层的阻氢性能。结果表明:随着正向电压的增加,氢化锆表面微弧氧化陶瓷层的厚度逐渐增加,当正向电压为375 V时陶瓷层的阻氢性能较好,氢渗透降低因子PRF值可达到14.2;正向电压的改变对陶瓷层的相结构没有明显影响,膜层主要由单斜相氧化锆(m-ZrO2)、四方相氧化锆(t-ZrO2)和立方相氧化铈(c-CeO2)组成,且以单斜相氧化锆(m-ZrO2)为主。

铈浓度对ZrH_(1.8)微弧氧化膜层阻氢性能的影响

利用微弧氧化技术在电解液中加入不同含量的铈,制备了阻氢性能良好的二氧化铈稳定氧化锆(ceria-stabilized zirconia,CSZ)陶瓷膜。利用涂层测厚仪、涂层附着力自动划痕仪、扫描电子显微镜、X射线能谱仪、X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪和真空脱氢实验对膜层的厚度、结合力、形貌、相结构、元素化学价态和膜层的阻氢性能进行了测试和表征。结果表明:CSZ陶瓷膜主要由单斜相氧化锆(m-ZrO_(2))、四方相氧化锆(t-ZrO_(2))和t-Zr_(0.82)Ce_(0.18)O_(2)组成。随铈浓度的增加,膜层厚度逐渐增加。当铈浓度为9mol%时,陶瓷膜厚度为135.5μm,结合力为52.46 N,膜层具有优异的阻氢性能,阻氢渗透因子为19。铈的加入抑制了t-ZrO_(2)向m-ZrO_(2)的相转变,促进了高温稳定t-ZrO_(2)的生成。