新型石墨烯/氧化鋁復合阻氚涂層制備和滲透行為研究
發(fā)布時間：2022-02-14 23:21
聚變堆被認為是能夠解決人類清潔能源供應的重要途徑之一。氚是聚變堆的主要燃料之一,但它能快速滲透通過大多數(shù)金屬材料,引起結構材料氫脆/氦脆問題。另外,氚滲透泄露會造成氚燃料無法自持和對周圍環(huán)境放射性污染及人員的潛在危害。目前國際上針對氚滲透泄露問題的主要解決方案是在結構材料表面制備以氧化鋁為代表的阻氚涂層。雖然氧化鋁對氫同位素有較強的阻滯能力,但是陶瓷材料的硬脆性使其在聚變堆嚴苛服役環(huán)境下（如高溫、氚滲透、復雜應力等）易開裂脫落,嚴重影響其阻氚性能與使用壽命。最新研究表明,石墨烯致密的電子云結構對氫同位素具有較好的阻隔作用,同時石墨烯在陶瓷材料中的摻雜亦能增強材料的韌性。本文以中國抗輻照鋼CLAM（China Low Activation Martensitic steel）為基底材料,在國內外現(xiàn)有氧化物阻氚涂層研究工作的基礎上,設計并制備了兼具阻氘性能和韌性的石墨烯/氧化鋁復合阻氚涂層,研究了涂層制備工藝對其微觀結構和性能的影響以及阻氘機制和增韌機制等。主要研究內容如下:1)利用噴涂法結合氘氣熱還原在CLAM鋼表面分別制備了氧化石墨烯（Graphene Oxide,GO）膜和還原氧化石...
【文章來源】：中國科學技術大學安徽省211工程院校985工程院校
【文章頁數(shù)】：121 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．１聚變反應堆發(fā)電示意圖ｌ５ｌ??
?第１章緒論???滲透的速率決定過程是氫同位素從四面體位置向八面體位置的移動速率。??邐邐??ｃ?．［￣￣￣￣??：??：：％?：??°０?１?２?３?４?５??Ｘ（Ａ）??圖１．４氫原子在Ｅｒ２０３晶胞中的擴散ｌ？ｌ，?ａ）?Ｅｒ２０３晶胞結構；ｂ）單個氫原子三維軌跡；??ｃ）?ＴＳ和ＯＳ表示整體Ｅｒ２０３中的四面體和八面體??界面結構：除涂層本身的晶體結構和厚度等對其阻氘性能產(chǎn)生影響外，多??層復合涂層中的層狀結構也會對涂層滲透行為產(chǎn)生影響。在緩解氧化物涂層與??鋼材基底的之間的熱膨脹效應時，制備層狀結構的復合涂層是常用的方法＾１，??即在氧化物涂層與基底之間插入一層熱膨脹系數(shù)處于二者之間的新涂層。在研??究該類復合涂層的阻氘性能時需要考慮界面效應的影響。??ａ?ｂｉｏ＇＂［?０?Ｃ－ＡＡ＇Ｏ．??ｗ?■■?｜?１０＂?：?；?ＪＩ＊ＬＳＳ??ｉ１０＇＾?＝?？?ｉ??ｍＭＵ１??圖１．５?Ａｌ２０３／Ｃｒ２０；（復合涂層形貌和滲透性能ｌ６９１，?ａ）ＴＥＭ圖像；ｂ）滲透率曲線??Ｈｅ等【６９】制備了相同厚度的Ａ１２０３、Ｃｒ２０３、Ａｌ２０３／Ｃｒ２０３這三種涂層，其滲??透率如圖１．５所示，Ａｈ〇３／Ｃｒ２０３復合涂層的ＰＲＦ值是三者中最大的，表明復合??結構能顯著增強涂層的阻氘性能，且Ａｈ〇３／Ｃｒ２０３復合膜的ＰＲＦ比非晶態(tài)的??ＡＩ２Ｏ３和Ｃｒ２〇３單層涂層的ＰＲＦ之和更高。Ｃｈｉｋａｄａ等［４３］研究表明雙面涂層比單??８??
?第１章緒論???且ｓｐ２鍵的穩(wěn)定性可抵抗各種平面內的變形，是其具有較高機械性能的結構原??因ｔ％。無缺陷的單層石墨烯被認為是一種堅固的材料，Ｈｏｎｅ等測量的單層膜??的固有強度為４２?Ｒｎｒ１，等于１３０?ＧＰａ。與石墨烯工程應用相關且最重要的機械??性能之一是其斷裂韌性，Ｚｈａｎｇ等Ｗ測定ＣＶＤ合成石墨烯的斷裂初性??為４．０±０．６ＭＰａ，斷裂應力隨著裂紋擴展長度的增加而減�。ㄈ鐖D１．８所示）。??所以，具有出色的縱橫比、楊氏模量、良好的軔性和平面強度的石墨烯被認為??是高強度工程應用中理想的、有前景的納米材料。??ａ３ｎ??ｂ??＃３＾－??＃５?Ｙ??￣?２．?產(chǎn)；??Ｓ．?ｊｆ??ｃ?ｙ?／?ｆｒａｃｔｕｒｅ??ｉ?／Ｙ??ｗＬ?——Ｊ?ＨＭＩ??０．０００?０．００１?０．００２?０．００３??Ｓｔｒａｉｎ??圖１．８石墨烯力學性能及斷裂機理Ｐｉ，?ａ）單層石墨烯拉伸應變曲線；ｂ）模擬斷裂??與石墨煉相比，氧化石墨烯（ＧＯ，Ｇｒａｐｈｅｎｅ?Ｏｘｉｄｅ）的含氧基團的存在會??影響電學性能，但這些基團促進了ＧＯ在水中和不同溶劑中的出色分散性，使??其可輕松制備石墨烯／聚合物等復合材料并可實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)＾關于ＧＯ的機械??性能，Ｄｉｋｉｎ等將單獨的ＧＯ片［８１】組裝在氧化石墨烯紙上，樣品上的應力分布均??勻，剛度高達４０?ＧＰａ，強度達１２０?ＭＰａ，表明ＧＯ膜同樣具有較強的力學性??能。??陶瓷的硬度和彈性模量優(yōu)于聚合物和金屬等，但陶瓷材料由于脆性和低斷??裂初性在結構應用中常受到限制。研究表明，通過構建納米結構的晶粒和添加??其它增強材料可提高陶瓷的初性，其原理是通過提供
【參考文獻】：
期刊論文
[1]二維材料調控阻氫涂層研究進展[J]. 王玫,牛棟華,胡琪,辛延波,時洪亮,黃安平. 化工學報. 2017(S1)
[2]磁控濺射法制備氧化鋁/氧化鋯雙層復合涂層的氫滲透性能研究[J]. 郜健,何迪,劉曉鵬,王樹茂,蔣利軍,李帥. 稀有金屬. 2015(10)
[3]γ-Al2O3高溫相變的XRD和Raman光譜比較研究[J]. 方萍,何邁,謝云龍,羅孟飛. 光譜學與光譜分析. 2006(11)
博士論文
[1]α-Al2O3阻氚涂層材料中氫行為的理論研究[D]. 張桂凱.中國科學技術大學 2014
碩士論文
[1]氧化鋁/氧化鋯復合涂層的制備及其氫滲透性能研究[D]. 郜健.北京有色金屬研究總院 2014
本文編號：3625451
【文章來源】：中國科學技術大學安徽省211工程院校985工程院校
【文章頁數(shù)】：121 頁
【學位級別】：博士
【部分圖文】：
圖１．１聚變反應堆發(fā)電示意圖ｌ５ｌ??
?第１章緒論???滲透的速率決定過程是氫同位素從四面體位置向八面體位置的移動速率。??邐邐??ｃ?．［￣￣￣￣??：??：：％?：??°０?１?２?３?４?５??Ｘ（Ａ）??圖１．４氫原子在Ｅｒ２０３晶胞中的擴散ｌ？ｌ，?ａ）?Ｅｒ２０３晶胞結構；ｂ）單個氫原子三維軌跡；??ｃ）?ＴＳ和ＯＳ表示整體Ｅｒ２０３中的四面體和八面體??界面結構：除涂層本身的晶體結構和厚度等對其阻氘性能產(chǎn)生影響外，多??層復合涂層中的層狀結構也會對涂層滲透行為產(chǎn)生影響。在緩解氧化物涂層與??鋼材基底的之間的熱膨脹效應時，制備層狀結構的復合涂層是常用的方法＾１，??即在氧化物涂層與基底之間插入一層熱膨脹系數(shù)處于二者之間的新涂層。在研??究該類復合涂層的阻氘性能時需要考慮界面效應的影響。??ａ?ｂｉｏ＇＂［?０?Ｃ－ＡＡ＇Ｏ．??ｗ?■■?｜?１０＂?：?；?ＪＩ＊ＬＳＳ??ｉ１０＇＾?＝?？?ｉ??ｍＭＵ１??圖１．５?Ａｌ２０３／Ｃｒ２０；（復合涂層形貌和滲透性能ｌ６９１，?ａ）ＴＥＭ圖像；ｂ）滲透率曲線??Ｈｅ等【６９】制備了相同厚度的Ａ１２０３、Ｃｒ２０３、Ａｌ２０３／Ｃｒ２０３這三種涂層，其滲??透率如圖１．５所示，Ａｈ〇３／Ｃｒ２０３復合涂層的ＰＲＦ值是三者中最大的，表明復合??結構能顯著增強涂層的阻氘性能，且Ａｈ〇３／Ｃｒ２０３復合膜的ＰＲＦ比非晶態(tài)的??ＡＩ２Ｏ３和Ｃｒ２〇３單層涂層的ＰＲＦ之和更高。Ｃｈｉｋａｄａ等［４３］研究表明雙面涂層比單??８??
?第１章緒論???且ｓｐ２鍵的穩(wěn)定性可抵抗各種平面內的變形，是其具有較高機械性能的結構原??因ｔ％。無缺陷的單層石墨烯被認為是一種堅固的材料，Ｈｏｎｅ等測量的單層膜??的固有強度為４２?Ｒｎｒ１，等于１３０?ＧＰａ。與石墨烯工程應用相關且最重要的機械??性能之一是其斷裂韌性，Ｚｈａｎｇ等Ｗ測定ＣＶＤ合成石墨烯的斷裂初性??為４．０±０．６ＭＰａ，斷裂應力隨著裂紋擴展長度的增加而減�。ㄈ鐖D１．８所示）。??所以，具有出色的縱橫比、楊氏模量、良好的軔性和平面強度的石墨烯被認為??是高強度工程應用中理想的、有前景的納米材料。??ａ３ｎ??ｂ??＃３＾－??＃５?Ｙ??￣?２．?產(chǎn)；??Ｓ．?ｊｆ??ｃ?ｙ?／?ｆｒａｃｔｕｒｅ??ｉ?／Ｙ??ｗＬ?——Ｊ?ＨＭＩ??０．０００?０．００１?０．００２?０．００３??Ｓｔｒａｉｎ??圖１．８石墨烯力學性能及斷裂機理Ｐｉ，?ａ）單層石墨烯拉伸應變曲線；ｂ）模擬斷裂??與石墨煉相比，氧化石墨烯（ＧＯ，Ｇｒａｐｈｅｎｅ?Ｏｘｉｄｅ）的含氧基團的存在會??影響電學性能，但這些基團促進了ＧＯ在水中和不同溶劑中的出色分散性，使??其可輕松制備石墨烯／聚合物等復合材料并可實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)＾關于ＧＯ的機械??性能，Ｄｉｋｉｎ等將單獨的ＧＯ片［８１】組裝在氧化石墨烯紙上，樣品上的應力分布均??勻，剛度高達４０?ＧＰａ，強度達１２０?ＭＰａ，表明ＧＯ膜同樣具有較強的力學性??能。??陶瓷的硬度和彈性模量優(yōu)于聚合物和金屬等，但陶瓷材料由于脆性和低斷??裂初性在結構應用中常受到限制。研究表明，通過構建納米結構的晶粒和添加??其它增強材料可提高陶瓷的初性，其原理是通過提供
【參考文獻】：
期刊論文
[1]二維材料調控阻氫涂層研究進展[J]. 王玫,牛棟華,胡琪,辛延波,時洪亮,黃安平. 化工學報. 2017(S1)
[2]磁控濺射法制備氧化鋁/氧化鋯雙層復合涂層的氫滲透性能研究[J]. 郜健,何迪,劉曉鵬,王樹茂,蔣利軍,李帥. 稀有金屬. 2015(10)
[3]γ-Al2O3高溫相變的XRD和Raman光譜比較研究[J]. 方萍,何邁,謝云龍,羅孟飛. 光譜學與光譜分析. 2006(11)
博士論文
[1]α-Al2O3阻氚涂層材料中氫行為的理論研究[D]. 張桂凱.中國科學技術大學 2014
碩士論文
[1]氧化鋁/氧化鋯復合涂層的制備及其氫滲透性能研究[D]. 郜健.北京有色金屬研究總院 2014
本文編號：3625451
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