贫铀表面氧化铝陶瓷涂层的阴极微弧电沉积法制备及其性能研究

发布时间：2017-10-16 05:43

  本文关键词：贫铀表面氧化铝陶瓷涂层的阴极微弧电沉积法制备及其性能研究

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【摘要】：铀因其独特的核性能而被广泛应用于军事、核能等领域,但又因其特殊的价电子结构和很低的标准电极电位,导致它的化学性质非常活泼,很容易与周围大气环境中水汽、氧气等发生化学反应而遭受腐蚀,不仅影响铀本身的性能,还会污染环境,对操作者构成放射性危害。对金属铀进行表面涂层保护是减缓甚至阻止其腐蚀的有效手段之一。目前,关于铀材料表面防腐处理的研究报道不少,所采用的处理技术各具优缺点,涂层体系包括金属、无机非金属和有机材料等。其中,氧化物陶瓷涂层由于具有耐蚀、耐磨性能优异,制备方法简单等特点在材料耐蚀防腐涂层中应用广泛,但其在铀及其合金材料表面防腐涂层中的应用还未见报道。阴极微弧电沉积是将金属或其合金作为阴极置于电解质溶液中,利用电化学方法,借助阴极阻挡层微弧放电产生能量,在热化学、电化学和等离子体化学的共同作用下,将阴极表面沉积的氢氧化物直接脱水烧结形成陶瓷氧化物涂层的方法。与微弧氧化制备氧化物陶瓷涂层相比,阴极微弧电沉积方法具有仅要求基底材料导电、氧化物陶瓷组成可任意调节等特点,应该比较适合于金属铀材料的表面陶瓷化处理。为此,本文采用阴极微弧电沉积的方法在铀表面制备氧化铝陶瓷涂层,研究了电解液参数(电解质浓度、流动状态)、电源参数(平均电流密度、工作频率、占空比)以及沉积时间对起弧电压、涂层的表面形貌与相组成的影响,在此基础上,获得了优化的贫铀表面氧化铝陶瓷涂层制备工艺,测试了此工艺条件下制备的贫铀表面氧化铝陶瓷涂层的稳定性、耐腐蚀性能以及与基体的结合力等。主要结果如下：1.在贫铀表面通过阴极微弧电沉积方法制备氧化铝陶瓷涂层,贫铀样品的表面粗糙度、电解液浓度与搅拌速度是影响实验过程中是否起弧的关键因素,在电解质浓度一定时,适宜的贫铀表面粗糙度和电解液搅拌速度才能在电沉积过程中出现起弧现象(开始起弧以及稳定起弧的电压分别在200～220 V和约290 V左右)。2.贫铀表面通过阴极微弧电沉积方法制备的氧化铝陶瓷涂层表面粗糙多孔,由大量岩状的烧结体和孔洞组成；涂层主要由α-Al2O3和γ-Al2O3组成,还含有少量的UO2,其中以γ-Al2O3为主晶相。3.适宜的电解液浓度和平均电流密度有利于提高涂层的表面平整度；高频率、小占空比有利于提高涂层致密度；高电解液浓度、大的平均电流密度有利于a-A1203的生成；涂层的厚度随着电解液浓度和占空比的升高略有升高,而提高电流密度或降低工作频率都会使涂层厚度大幅度增大；涂层厚度不随沉积时间而线性增长,过长的沉积时间将明显增大涂层表面孔洞和不平整性,所以涂层厚度的控制主要依靠其它参数的调整来实现。4.在本实验条件下获得的较优贫铀表面阴极微弧电沉积氧化铝陶瓷涂层制备工艺参数是：贫铀表面粗糙度约Ra 0.10μm,电解液(硝酸铝的乙醇溶液)浓度约1.0 mol/L、搅拌速度200～300 r/min,电流密度约6 A/dm2、工作频率900 Hz、占空比10%,沉积时间30 min。在此参数下制备的贫铀表面氧化铝陶瓷涂层具有较理想的微观组织结构,α-Al2O3相含量达28%；同时氧化铝陶瓷涂层与基体结合良好,在室温大气环境和90℃,相对湿度为90%的空气环境中有良好的稳定性,在3.5%NaCl水溶液中的腐蚀电流密度与贫铀基体相比降低了约2个数量级,显示了优异的耐腐蚀性能。
【关键词】：贫铀 表面防腐涂层 阴极微弧电沉积 氧化铝陶瓷
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG174.4
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-24
• 1.1 引言9-10
• 1.2 铀表面防腐涂层的研究现状及存在的问题10-12
• 1.3 氧化物陶瓷涂层简介12-17
• 1.4 阴极微弧电沉积技术及其应用17-23
• 1.4.1 阴极微弧电沉积技术的产生与发展17-18
• 1.4.2 阴极微弧电沉积制备Al_2O_3陶瓷膜原理18-21
• 1.4.3 阴极微弧电沉积制备Al_2O_3陶瓷膜的影响因素21-22
• 1.4.4 阴极微弧电沉积技术应用前景及存在的问题22-23
• 1.5 本研究的目的及主要内容23-24
• 第二章 实验部分24-30
• 2.1 实验材料及设备24-25
• 2.2 阴极微弧电沉积参数设计方案25-27
• 2.3 氧化铝陶瓷涂层结构和性能表征27-29
• 2.3.1 膜层微观形貌27
• 2.3.2 膜层厚度的测定27-28
• 2.3.3 膜层的物相和元素组成分析28
• 2.3.4 膜基结合强度分析28-29
• 2.4 贫铀表面氧化铝陶瓷涂层耐蚀性能29-30
• 2.4.1 电化学性能测试29
• 2.4.2 大气环境稳定性测试29
• 2.4.3 湿热腐蚀试验29-30
• 第三章 结果与讨论30-55
• 3.1 艺参数对起弧的影响30-36
• 3.1.1 样品表面状态对起弧的影响30-31
• 3.1.2 搅拌速度对起弧的影响31-32
• 3.1.3 电解液浓度对起弧时间的影响32-33
• 3.1.4 平均电流密度对起弧时间的影响33-34
• 3.1.5 工作频率对起弧时间的影响34-35
• 3.1.6 占空比对起弧时间的影响35-36
• 3.2 工艺参数对氧化铝陶瓷涂层结构与相组成的影响36-49
• 3.2.1 电解液浓度的影响36-39
• 3.2.2 电流密度的影响39-42
• 3.2.3 工作频率的影响42-45
• 3.2.4 占空比的影响45-47
• 3.2.5 沉积时间的影响47-49
• 3.2.6 小结49
• 3.3 氧化铝陶瓷涂层与基体的结合力49-51
• 3.4 贫铀表面氧化铝陶瓷涂层耐腐蚀性能51-55
• 3.4.1 大气环境中的稳定性51-52
• 3.4.2 湿热腐蚀试验52-53
• 3.4.3 电化学腐蚀性能53-55
• 第四章 结论与展望55-57
• 4.1 结论55-56
• 4.2 展望56-57
• 致谢57-58
• 参考文献58-63
• 附录63

【参考文献】

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1 薛文斌,杜建成,吴晓玲,邓志威,来永春,张通和;LY12合金表面微弧放电沉积陶瓷膜的抗磨损性[J];北京师范大学学报(自然科学版);2005年04期

2 吕学超,汪小琳,鲜晓斌;金属铀的氧化腐蚀及防护[J];材料导报;2003年02期

3 王庆富,张鹏程,鲜晓斌;铀及铀合金的防腐蚀电镀层研究进展[J];腐蚀与防护;2003年12期

4 龙重;刘柯钊;白彬;梁宏伟;严东旭;;铀表面全方位离子注入渗氮处理研究[J];材料热处理学报;2008年05期

5 于维平,王小平;高能脉冲电沉积陶瓷涂层[J];科学通报;1999年14期

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本文编号：1040952