[发明专利]一种阻氚镀层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及核能与材料工程领域，尤其是一种阻氚镀层及其制备方法。

背景技术

随着世界能源危机威胁的进一步加深，以及现有能源系统存在的固有缺陷，人们越来越关注绿色能源系统，而核能（尤其是以氘、氚为燃料的聚变堆和混合堆）有望成为替代常规能源的绿色能源系统。氚具有放射性，氚渗透会对操作人员造成很大伤害，同时造成环境或装置放射性污染，并导致结构材料的氢脆，这也在一定程度上，限制了以氚为原料的核能的应用。

阻氚镀层是为了在不损害基体材料性能的前提下，在基体材料表面制备一层氚扩散系数低的防氚渗透层，以达到减少乃至阻止氚渗透的目的。氚以间隙原子的形式进行扩散渗透，几乎能够通过所有的金属，具有很高的渗透能力，而氚在陶瓷材料中以类似分子的方式进行扩散，具有较低的渗透能力。多年的研究结果表明，在结构材料表面涂覆陶瓷镀层是防氚渗透的经济而实用的方法。目前，比较常用的防氚渗透镀层材料包括以下几类：(1)氧化物镀层，主要包括SiO₂、Al₂O₃、Cr₂O₃、Y₂O₃、Zr₂O₃镀层；(2)硅化物镀层，主要包括SiN镀层、SiC镀层；(3)钛基陶瓷镀层，主要包括TiN和TiC；(4)复合镀层，主要有TiN+TiC+TiN、TiN+TiC+SiO₂、SiO₂+Cr₂O₃和SiC+Al₂O₃等复合膜。

然而，目前研究的这些镀层的氚渗透降低系数(PRF)都远小于理论值，阻氚效果远远没有发挥出来。因此，迫切需要一种新的具有较高PRF的阻氚镀层，以满足实际应用的需要。

发明内容

本发明的目的在于：针对目前研究的阻氚镀层的氚渗透降低系数(PRF)都远小于理论值，阻氚效果较差的的问题，提供一种阻氚镀层及其制备方法。申请人通过长期的研究发现，现有阻氚镀层的PRF小于理论值的主要原因在于，现有方法制备的阻氚镀层薄膜中存在孔隙和裂纹。本发明采用Er₂O₃和SiC两种镀层复合，形成含有多层镀层的阻氚镀层，且该阻氚镀层同时引入了C－、O－、Si－等氢捕获键，能够有效改善基体的阻氚性能；同时本发明在Er₂O₃和SiC镀层之间形成界面，降低了阻氚镀层贯穿性的空洞和缺陷的出现几率，提高了镀层整体的致密度，减少氚渗透通道；Er₂O₃和SiC镀层之间形成的界面，也作为一种氢陷阱，能有效改善镀层的阻氚性能。本发明设计合理，具有良好的阻氚效果，其为核能领域提供了一种减少乃至阻止氚渗透的新材料、新途径，具有显著的进步意义。在此基础上，本发明还在基体上设置过渡层，通过过渡层能够提高多层膜与基体之间的结合力，改善基体与多层膜的界面匹配，提高两者的结合性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种阻氚镀层，包括基体、设置在基体上的多层膜，所述多层膜由Er₂O₃镀层、SiC镀层交替沉积而成，单层的Er₂O₃镀层的厚度为10～150nm，单层的SiC镀层的厚度为10～150nm，所述多层膜的厚度为0.1μm～5μm，所述多层膜中的最底层为Er₂O₃镀层，所述多层膜通过最底层的Er₂O₃镀层沉积在基体上。

所述Er₂O₃镀层的层数与SiC镀层的层数之和至少为3层。

所述Er₂O₃镀层以陶瓷Er₂O₃为磁控靶，采用射频磁控溅射沉积而成；所述SiC镀层以陶瓷SiC为磁控靶，采用射频磁控溅射沉积而成。

还包括沉积在基体上的Er镀层，所述多层膜通过Er₂O₃镀层沉积在Er镀层上，所述多层膜中最底层的Er₂O₃镀层通过Er镀层与基体相连。

所述Er镀层以金属Er为磁控靶，采用磁控溅射沉积而成。

前述阻氚镀层的制备方法，包括如下步骤：