[发明专利]Ti3SiC2基陶瓷材料作为耐熔融氟盐腐蚀材料的应用

说明书

技术领域

本发明涉及Ti₃SiC₂基陶瓷材料技术领域，尤其涉及该陶瓷材料作为耐熔融氟盐腐蚀材料的应用。

背景技术

我国是一个能源小国，石油资源相当贫乏，特别是随着经济的快速发展，国家对能源的需求日益加大，因此能源问题关系到国家的稳定与发展。目前，国家电力生产中火电占约80%，水电占约16%，其余为风力发电、核电等。其中，核能具有能量密度高、低碳排放、潜在的可持续发展性等优势，在全球气候变化的情况下，节能减排、低碳经济正促使核能在全球复兴。但是，核电在我国能源结构中的占比仅为1.12%，而在核电发达的法国，核电在电力结构中所占比例达到80%，因此大力发展核能已成为我国能源中长期发展规划的重点。

然而，发展核电也面临着诸多问题。其中一个问题是我们缺乏传统核电所用的铀燃料。但是，我国拥有丰富的钍原料，研究将钍转化为铀的技术方法，采用先进的熔盐堆技术研发出更安全、更清洁、最终也更经济的以钍为基础的第四代裂变反应堆核能系统——钍基熔盐堆核能系统（TMSR）可以较好地解决核裂变反应堆的安全、燃料问题。

熔融氟盐具有低熔点、高沸点、低蒸汽压、高的比热容和热导率、高化学稳定性、低压下密度高等优点，有望作为熔盐反应堆燃料盐在熔盐堆技术中广泛应用。另外，熔融氟盐还在主冷却剂、换热介质、乏燃料干法后处理用电解质等方面获得广泛的应用。

但是，熔融氟盐的工作温度高、腐蚀性强，要求盛装该熔融氟盐的容器或处于该熔融氟盐环境中的结构材料具有优良的耐熔融氟盐腐蚀性。例如，在熔盐反应堆中使用的熔融氟盐需要长期在高温（即氟盐熔点以上至1000℃的温度区间）下运行，就需要核包壳材料、盛载燃料熔盐的容器和盛载换热盐的管道等结构材料具有优良的耐高温与耐熔融氟盐腐蚀性；在反应堆乏燃料的干法后处理中，氟化物一般在550-650℃温度段工作，就需要进行分离操作的容器和电极材料具有耐高温化学腐蚀及电化学腐蚀的双重性能。

目前，有关结构材料的耐熔融氟盐腐蚀性能研究表明，大多数传统的高温合金材料在熔融氟盐环境下的腐蚀与空气中的氧化和热腐蚀具有本质差别。不同于传统的空气和水溶液中的氧化，在熔融氟盐环境中，材料表面保护性的氧化膜多数会发生溶解因而不具有保护性。

例如，美国宇航局（NASA）的研究者发现常见高温合金材料在熔融氟盐中腐蚀严重，各组分的腐蚀倾向随Ni、Co、Fe、Cr、Al这一顺序依次增加，对于多组分合金，活泼金属会发生选择性氧化和溶解，造成整个合金材料失效；同时他们也发现Nb、Mo和W等耐火金属材料，Ni-Mo基Hastelloy B合金材料的腐蚀程度较低，但是耐火金属材料抗氧化性很差，Hastelloy B合金材料在650-815℃服役后严重脆化，并且抗氧化能力差，因而作为结构组件长期暴露在空气中问题依然存在。

美国橡树岭国家实验室（ORNL）的研究表明Inconel（（15%Cr,7%Fe,78%Ni）合金在以NaF-ZrF4-UF4（53.09-40.73-6.18mol%）为燃料盐的熔盐反应实验堆（MSRE）中作为容器材料腐蚀情况严重，主要腐蚀机理是Cr元素的选择性溶解。他们随后专门设计了改性的镍基合金Hastelloy-N（17%Mo7%Cr、5%Fe、其余为Ni），但是Hastelloy-N缺乏其他镍基及铁镍基合金所具有的高温强度，因而长期服役的可靠性仍待解决。

Wisconsin-Madison大学的研究表明，常见的高温合金Hastelloy-X,Haynes-230、Inconel-617在高温FLINAK熔盐环境中都遭受到严重的腐蚀，而Ni-201（Ni含量大于90%）表现出良好的抗腐蚀性，但是元素态的纯镍材料作为结构组件缺乏应有的高温强度，热解碳（PyC）/SiC涂层能够提高C/Si/SiC复合材料的耐腐蚀性，Ni、Mo涂层也能够在一定程度上改善高温合金材料的耐腐蚀性，然而均存在高温剥落及涂层均匀性等问题。

发明内容

本发明人发现，Ti₃SiC₂陶瓷材料及Ti₃SiC₂复合陶瓷材料，即Ti₃SiC₂基陶瓷材料具有耐熔融氟盐腐蚀特性。