新型石墨烯/氧化铝复合阻氚涂层制备和渗透行为研究
发布时间：2022-02-14 23:21
聚变堆被认为是能够解决人类清洁能源供应的重要途径之一。氚是聚变堆的主要燃料之一,但它能快速渗透通过大多数金属材料,引起结构材料氢脆/氦脆问题。另外,氚渗透泄露会造成氚燃料无法自持和对周围环境放射性污染及人员的潜在危害。目前国际上针对氚渗透泄露问题的主要解决方案是在结构材料表面制备以氧化铝为代表的阻氚涂层。虽然氧化铝对氢同位素有较强的阻滞能力,但是陶瓷材料的硬脆性使其在聚变堆严苛服役环境下（如高温、氚渗透、复杂应力等）易开裂脱落,严重影响其阻氚性能与使用寿命。最新研究表明,石墨烯致密的电子云结构对氢同位素具有较好的阻隔作用,同时石墨烯在陶瓷材料中的掺杂亦能增强材料的韧性。本文以中国抗辐照钢CLAM（China Low Activation Martensitic steel）为基底材料,在国内外现有氧化物阻氚涂层研究工作的基础上,设计并制备了兼具阻氘性能和韧性的石墨烯/氧化铝复合阻氚涂层,研究了涂层制备工艺对其微观结构和性能的影响以及阻氘机制和增韧机制等。主要研究内容如下:1)利用喷涂法结合氘气热还原在CLAM钢表面分别制备了氧化石墨烯（Graphene Oxide,GO）膜和还原氧化石...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省211工程院校985工程院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１聚变反应堆发电示意图ｌ５ｌ??
?第１章绪论???渗透的速率决定过程是氢同位素从四面体位置向八面体位置的移动速率。??邐邐??ｃ?．［￣￣￣￣??：??：：％?：??°０?１?２?３?４?５??Ｘ（Ａ）??图１．４氢原子在Ｅｒ２０３晶胞中的扩散ｌ？ｌ，?ａ）?Ｅｒ２０３晶胞结构；ｂ）单个氢原子三维轨迹；??ｃ）?ＴＳ和ＯＳ表示整体Ｅｒ２０３中的四面体和八面体??界面结构：除涂层本身的晶体结构和厚度等对其阻氘性能产生影响外，多??层复合涂层中的层状结构也会对涂层渗透行为产生影响。在缓解氧化物涂层与??钢材基底的之间的热膨胀效应时，制备层状结构的复合涂层是常用的方法＾１，??即在氧化物涂层与基底之间插入一层热膨胀系数处于二者之间的新涂层。在研??究该类复合涂层的阻氘性能时需要考虑界面效应的影响。??ａ?ｂｉｏ＇＂［?０?Ｃ－ＡＡ＇Ｏ．??ｗ?■■?｜?１０＂?：?；?ＪＩ＊ＬＳＳ??ｉ１０＇＾?＝?？?ｉ??ｍＭＵ１??图１．５?Ａｌ２０３／Ｃｒ２０；（复合涂层形貌和渗透性能ｌ６９１，?ａ）ＴＥＭ图像；ｂ）渗透率曲线??Ｈｅ等【６９】制备了相同厚度的Ａ１２０３、Ｃｒ２０３、Ａｌ２０３／Ｃｒ２０３这三种涂层，其渗??透率如图１．５所示，Ａｈ〇３／Ｃｒ２０３复合涂层的ＰＲＦ值是三者中最大的，表明复合??结构能显著增强涂层的阻氘性能，且Ａｈ〇３／Ｃｒ２０３复合膜的ＰＲＦ比非晶态的??ＡＩ２Ｏ３和Ｃｒ２〇３单层涂层的ＰＲＦ之和更高。Ｃｈｉｋａｄａ等［４３］研究表明双面涂层比单??８??
?第１章绪论???且ｓｐ２键的稳定性可抵抗各种平面内的变形，是其具有较高机械性能的结构原??因ｔ％。无缺陷的单层石墨烯被认为是一种坚固的材料，Ｈｏｎｅ等测量的单层膜??的固有强度为４２?Ｒｎｒ１，等于１３０?ＧＰａ。与石墨烯工程应用相关且最重要的机械??性能之一是其断裂韧性，Ｚｈａｎｇ等Ｗ测定ＣＶＤ合成石墨烯的断裂初性??为４．０±０．６ＭＰａ，断裂应力随着裂纹扩展长度的增加而减小（如图１．８所示）。??所以，具有出色的纵横比、杨氏模量、良好的軔性和平面强度的石墨烯被认为??是高强度工程应用中理想的、有前景的纳米材料。??ａ３ｎ??ｂ??＃３＾－??＃５?Ｙ??￣?２．?产；??Ｓ．?ｊｆ??ｃ?ｙ?／?ｆｒａｃｔｕｒｅ??ｉ?／Ｙ??ｗＬ?——Ｊ?ＨＭＩ??０．０００?０．００１?０．００２?０．００３??Ｓｔｒａｉｎ??图１．８石墨烯力学性能及断裂机理Ｐｉ，?ａ）单层石墨烯拉伸应变曲线；ｂ）模拟断裂??与石墨炼相比，氧化石墨烯（ＧＯ，Ｇｒａｐｈｅｎｅ?Ｏｘｉｄｅ）的含氧基团的存在会??影响电学性能，但这些基团促进了ＧＯ在水中和不同溶剂中的出色分散性，使??其可轻松制备石墨烯／聚合物等复合材料并可实现规模生产＾关于ＧＯ的机械??性能，Ｄｉｋｉｎ等将单独的ＧＯ片［８１】组装在氧化石墨烯纸上，样品上的应力分布均??匀，刚度高达４０?ＧＰａ，强度达１２０?ＭＰａ，表明ＧＯ膜同样具有较强的力学性??能。??陶瓷的硬度和弹性模量优于聚合物和金属等，但陶瓷材料由于脆性和低断??裂初性在结构应用中常受到限制。研究表明，通过构建纳米结构的晶粒和添加??其它增强材料可提高陶瓷的初性，其原理是通过提供
【参考文献】：
期刊论文
[1]二维材料调控阻氢涂层研究进展[J]. 王玫,牛栋华,胡琪,辛延波,时洪亮,黄安平. 化工学报. 2017(S1)
[2]磁控溅射法制备氧化铝/氧化锆双层复合涂层的氢渗透性能研究[J]. 郜健,何迪,刘晓鹏,王树茂,蒋利军,李帅. 稀有金属. 2015(10)
[3]γ-Al2O3高温相变的XRD和Raman光谱比较研究[J]. 方萍,何迈,谢云龙,罗孟飞. 光谱学与光谱分析. 2006(11)
博士论文
[1]α-Al2O3阻氚涂层材料中氢行为的理论研究[D]. 张桂凯.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]氧化铝/氧化锆复合涂层的制备及其氢渗透性能研究[D]. 郜健.北京有色金属研究总院 2014
本文编号：3625451
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省211工程院校985工程院校
【文章页数】：121 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１聚变反应堆发电示意图ｌ５ｌ??
?第１章绪论???渗透的速率决定过程是氢同位素从四面体位置向八面体位置的移动速率。??邐邐??ｃ?．［￣￣￣￣??：??：：％?：??°０?１?２?３?４?５??Ｘ（Ａ）??图１．４氢原子在Ｅｒ２０３晶胞中的扩散ｌ？ｌ，?ａ）?Ｅｒ２０３晶胞结构；ｂ）单个氢原子三维轨迹；??ｃ）?ＴＳ和ＯＳ表示整体Ｅｒ２０３中的四面体和八面体??界面结构：除涂层本身的晶体结构和厚度等对其阻氘性能产生影响外，多??层复合涂层中的层状结构也会对涂层渗透行为产生影响。在缓解氧化物涂层与??钢材基底的之间的热膨胀效应时，制备层状结构的复合涂层是常用的方法＾１，??即在氧化物涂层与基底之间插入一层热膨胀系数处于二者之间的新涂层。在研??究该类复合涂层的阻氘性能时需要考虑界面效应的影响。??ａ?ｂｉｏ＇＂［?０?Ｃ－ＡＡ＇Ｏ．??ｗ?■■?｜?１０＂?：?；?ＪＩ＊ＬＳＳ??ｉ１０＇＾?＝?？?ｉ??ｍＭＵ１??图１．５?Ａｌ２０３／Ｃｒ２０；（复合涂层形貌和渗透性能ｌ６９１，?ａ）ＴＥＭ图像；ｂ）渗透率曲线??Ｈｅ等【６９】制备了相同厚度的Ａ１２０３、Ｃｒ２０３、Ａｌ２０３／Ｃｒ２０３这三种涂层，其渗??透率如图１．５所示，Ａｈ〇３／Ｃｒ２０３复合涂层的ＰＲＦ值是三者中最大的，表明复合??结构能显著增强涂层的阻氘性能，且Ａｈ〇３／Ｃｒ２０３复合膜的ＰＲＦ比非晶态的??ＡＩ２Ｏ３和Ｃｒ２〇３单层涂层的ＰＲＦ之和更高。Ｃｈｉｋａｄａ等［４３］研究表明双面涂层比单??８??
?第１章绪论???且ｓｐ２键的稳定性可抵抗各种平面内的变形，是其具有较高机械性能的结构原??因ｔ％。无缺陷的单层石墨烯被认为是一种坚固的材料，Ｈｏｎｅ等测量的单层膜??的固有强度为４２?Ｒｎｒ１，等于１３０?ＧＰａ。与石墨烯工程应用相关且最重要的机械??性能之一是其断裂韧性，Ｚｈａｎｇ等Ｗ测定ＣＶＤ合成石墨烯的断裂初性??为４．０±０．６ＭＰａ，断裂应力随着裂纹扩展长度的增加而减小（如图１．８所示）。??所以，具有出色的纵横比、杨氏模量、良好的軔性和平面强度的石墨烯被认为??是高强度工程应用中理想的、有前景的纳米材料。??ａ３ｎ??ｂ??＃３＾－??＃５?Ｙ??￣?２．?产；??Ｓ．?ｊｆ??ｃ?ｙ?／?ｆｒａｃｔｕｒｅ??ｉ?／Ｙ??ｗＬ?——Ｊ?ＨＭＩ??０．０００?０．００１?０．００２?０．００３??Ｓｔｒａｉｎ??图１．８石墨烯力学性能及断裂机理Ｐｉ，?ａ）单层石墨烯拉伸应变曲线；ｂ）模拟断裂??与石墨炼相比，氧化石墨烯（ＧＯ，Ｇｒａｐｈｅｎｅ?Ｏｘｉｄｅ）的含氧基团的存在会??影响电学性能，但这些基团促进了ＧＯ在水中和不同溶剂中的出色分散性，使??其可轻松制备石墨烯／聚合物等复合材料并可实现规模生产＾关于ＧＯ的机械??性能，Ｄｉｋｉｎ等将单独的ＧＯ片［８１】组装在氧化石墨烯纸上，样品上的应力分布均??匀，刚度高达４０?ＧＰａ，强度达１２０?ＭＰａ，表明ＧＯ膜同样具有较强的力学性??能。??陶瓷的硬度和弹性模量优于聚合物和金属等，但陶瓷材料由于脆性和低断??裂初性在结构应用中常受到限制。研究表明，通过构建纳米结构的晶粒和添加??其它增强材料可提高陶瓷的初性，其原理是通过提供
【参考文献】：
期刊论文
[1]二维材料调控阻氢涂层研究进展[J]. 王玫,牛栋华,胡琪,辛延波,时洪亮,黄安平. 化工学报. 2017(S1)
[2]磁控溅射法制备氧化铝/氧化锆双层复合涂层的氢渗透性能研究[J]. 郜健,何迪,刘晓鹏,王树茂,蒋利军,李帅. 稀有金属. 2015(10)
[3]γ-Al2O3高温相变的XRD和Raman光谱比较研究[J]. 方萍,何迈,谢云龙,罗孟飞. 光谱学与光谱分析. 2006(11)
博士论文
[1]α-Al2O3阻氚涂层材料中氢行为的理论研究[D]. 张桂凯.中国科学技术大学 2014
硕士论文
[1]氧化铝/氧化锆复合涂层的制备及其氢渗透性能研究[D]. 郜健.北京有色金属研究总院 2014
本文编号：3625451
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