【摘要】：鋯合金作為在核反應(yīng)堆中起保護(hù)作用的包殼材料,需要承受核反應(yīng)堆內(nèi)外高溫高壓環(huán)境帶來的強(qiáng)氧化侵蝕,提高鋯合金在高溫高壓環(huán)境中的抗氧化性能一直以來是學(xué)者們研究的重點(diǎn)。本文采用先進(jìn)的遠(yuǎn)源等離子體濺射系統(tǒng)(Hi TUS),采用Zr-Si組合靶材在鋯合金表面濺射一層Zr-Si非晶薄膜。當(dāng)靶材設(shè)計(jì)成分為30 at.%Si含量時(shí),Zr-Si薄膜具有最佳非晶形成能力。實(shí)驗(yàn)中,綜合使用多種分析手段,對(duì)鋯合金表面的Zr-Si非晶薄膜進(jìn)行性能的表征,主要結(jié)論如下:1.采用能譜儀對(duì)濺射在醋酸纖維素上的薄膜進(jìn)行成分表征,結(jié)果顯示:靶材設(shè)計(jì)成分為30 at.%Si含量時(shí),實(shí)際成分為25.34 at.%Si。2.采用掃描電子顯微鏡觀察濺射在鋯合金表面和玻璃表面的Zr-Si薄膜,發(fā)現(xiàn)薄膜均勻致密,無晶粒組織,呈現(xiàn)出非晶態(tài),同時(shí),由于襯底表面粗糙度的影響,玻璃表面的非晶薄膜比鋯合金表面更加均勻、致密。3.采用納米壓痕儀對(duì)薄膜進(jìn)行壓痕和劃痕測試,表征薄膜的硬度、楊氏模量,以及薄膜與基體的結(jié)合力,結(jié)果顯示:受襯底硬度等的影響,濺射在玻璃襯底上的薄膜比濺射在鋯基體上的薄膜硬度、楊氏模量大;同時(shí),具有最佳非晶形成能力的Zr-Si非晶薄膜與基體結(jié)合力較強(qiáng)。本文使用高溫高壓反應(yīng)釜模擬核反應(yīng)堆堆外環(huán)境進(jìn)行鋯合金的氧化實(shí)驗(yàn),設(shè)定釜內(nèi)溫度300℃,壓力18 MPa,共設(shè)置兩組樣品,一組為表面濺射有Zr-Si非晶薄膜的鋯合金,另一組為未鍍膜鋯合金樣品,作為空白對(duì)照。設(shè)置氧化時(shí)間為50h,100h,150h和200h,以此來檢測氧化時(shí)間對(duì)氧化膜厚度的影響;另外設(shè)置H2O2濃度為參數(shù),分別為1.0%和3.0%,以此來檢測氧含量對(duì)氧化膜厚度的影響。通過對(duì)氧化膜厚度及物相結(jié)構(gòu)的觀察來分析Zr-Si非晶薄膜對(duì)鋯合金抗氧化性能的影響。主要結(jié)論如下:1.采用掃描電鏡對(duì)氧化后樣品橫截面進(jìn)行觀察,并測量鋯合金樣品的氧化膜厚度。發(fā)現(xiàn)在相同時(shí)間、相同氧含量條件下,濺射有Zr-Si非晶薄膜的鋯合金樣品氧化膜厚度整體上比未鍍膜樣品的氧化膜厚度小;1.0%H2O2濃度條件下氧化的樣品氧化膜厚度比3.0%H2O2濃度條件下的樣品氧化膜厚度小。2.發(fā)現(xiàn)表面濺射有Zr-Si非晶薄膜的鋯合金在氧化時(shí)間為150h時(shí),氧化膜厚度出現(xiàn)了異常下降,本文認(rèn)為與樣品表面Zr-Si非晶薄膜隨氧化時(shí)間的增加而脫落有關(guān)。3.通過對(duì)氧化過的樣品氧化膜形態(tài)的觀察發(fā)現(xiàn),表面濺射有Zr-Si非晶薄膜的樣品氧化膜更加均勻,而未鍍膜樣品的氧化膜出現(xiàn)明顯的裂紋,有脫落跡象。4.采用X射線衍射儀表征氧化膜物相結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn),表面鍍有Zr-Si薄膜的樣品,氧化膜中含有較多具有保護(hù)作用的四方相氧化鋯,隨著氧化時(shí)間的延長,四方相氧化鋯逐漸消失,轉(zhuǎn)化為單斜相氧化鋯。總體來看,在鋯合金表面濺射一層Zr-Si非晶薄膜與襯底具有很好的結(jié)合力,能夠顯著提高鋯合金的抗氧化性能。
【圖文】：

圖 1.1 2004~2013 年中國能源消費(fèi)情況 單位：萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤Fig. 1.1 The diagram of Chinese energy consumption2013 年我國能源消費(fèi)總量達(dá)到 37.5 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，2004 年到 2013 年能源消費(fèi)穩(wěn)步增長，復(fù)合增長率為 6.46%。如果中國經(jīng)濟(jì)仍然保持年均 7%的增長速度，到 2020 年，我國能源消費(fèi)量將達(dá)到 55 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。而從圖 1.1 中可以看出，目前中國的能源結(jié)構(gòu)仍然以煤電為主，因此合理優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，發(fā)展水電、風(fēng)電、核電等新能源迫在眉睫，而核電在其中有著巨大的優(yōu)勢，是其他能源不可替代的。1.1 核電的發(fā)展核電能在基本負(fù)荷條件下提供大量電力，可靠并且沒有空氣污染，是目前唯一經(jīng)過證實(shí)的技術(shù)。相比于火電站，一座具有百萬千瓦級(jí)別的核電站一年僅需 30 噸核燃料，而同等規(guī)模燃煤電站一年需要 300 萬噸，且核電站燃料更換頻

圖 1.3 真空蒸鍍?cè)韴DFIG. 1.3 THE SCHEMATIC DIAGRAM OF PRESSURIZED WATER REACTOR二） 濺射高能粒子沖擊固體表面時(shí)，固體表面的原子、分子與這些高能從而由固體表面飛濺出來，這種現(xiàn)象為濺射。射鍍膜的方法有很多種，但基本原理都相同，是指使用擁有足轟擊固體（稱為靶材）表面，使其中的原子發(fā)射出來，這是轟之間動(dòng)量傳遞的結(jié)果。本文以應(yīng)用較為廣泛的磁控濺射為例來控濺射技術(shù)是在 1971 年由 Clarke[54]等人提出并成功應(yīng)用于薄膜誕生以來，磁控濺射技術(shù)在高速率沉積金屬、半導(dǎo)體和介電薄巨大進(jìn)步�？貫R射的基本原理是利用磁控管原理，使磁場與電場正交，在形成一個(gè)正交電磁場。如圖 1.4 所示為磁控濺射的原理圖。電子下是做直線運(yùn)動(dòng)的，，如果加上與其正交的磁場之后電子會(huì)在一
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TL341;TB383.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2536452