梁威：2018年清華大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文二等獎(jiǎng)獲得者

金屬鈰表面氮化物薄膜制備及其抗腐蝕性能研究

Study on the Preparation and Nticorrosion Properties of Nitride Films on Cerium Surface

研究背景/選題意義/研究?jī)r(jià)值

鈾是一種十分重要的戰(zhàn)略核能源材料，廣泛應(yīng)用于民用核能和國(guó)防領(lǐng)域。由于其具有特殊的價(jià)電子結(jié)構(gòu)，化學(xué)性質(zhì)十分活潑，服役若干年后庫(kù)存部件出現(xiàn)老化腐蝕等問(wèn)題，腐蝕到一定程度會(huì)造成產(chǎn)品報(bào)廢并危及人員安全，因此解決其老化腐蝕問(wèn)題是當(dāng)前庫(kù)存武器面臨的重要課題之一。

由于鈾和钚具有高放射性、極強(qiáng)的化學(xué)毒性和化學(xué)活潑性，而金屬鈰具有與其相近似的電子層結(jié)構(gòu)，化學(xué)性質(zhì)比钚還要活潑，且無(wú)放射性，因此本文利用金屬鈰模擬研究鈾、钚的腐蝕行為和防腐蝕方法，從而為錒系元素材料腐蝕防護(hù)提供了借鑒和參考，為解決庫(kù)存武器老化腐蝕問(wèn)題提供了技術(shù)支撐，具有重要的研究?jī)r(jià)值和軍事意義。

主要研究?jī)?nèi)容

1. 利用雙離子束濺射沉積系統(tǒng)通過(guò)反應(yīng)濺射和氮化處理在Ce表面制備形成了CeN薄膜。研究發(fā)現(xiàn)CeN薄膜本身不穩(wěn)定，故單純進(jìn)行表面氮化并不能有效提升Ce的耐腐蝕性能。因此在氮化處理后的樣品表面再進(jìn)一步沉積惰性氮化鈦（TiN）陶瓷層，即在Ce表面制備形成了CeN/TiN雙層復(fù)合膜，研究表明這種復(fù)合膜可以有效提高Ce的抗腐蝕性能，但是長(zhǎng)期貯存鍍層容易起泡脫落而失效。

2. 在Ce表面先沉積制備Ti作為過(guò)渡層，再沉積TiN惰性層，形成Ti/TiN雙層復(fù)合膜，并調(diào)控獲得了不同厚度比例的Ti/TiN雙層復(fù)合膜。研究表明，在Ce和TiN之間引入Ti作為過(guò)渡層，可以大幅提升了樣品的抗腐蝕等性能；在膜層總厚度為400nm時(shí)，調(diào)控獲得的200nmTi/200nmTiN復(fù)合膜抗腐蝕等性能最優(yōu)。

極化曲線

動(dòng)電位極化曲線測(cè)試分析表明，氮化鈰/氮化鈦雙層復(fù)合膜抗腐蝕性能相對(duì)于金屬鈰、氮化鈦單層膜等有較大幅度提高。

Nyquist圖

阻抗譜測(cè)試分析表明，調(diào)控獲得的200nmTi/200nmTiN雙層復(fù)合膜抗腐蝕等性能最優(yōu)。

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

1. 單純?cè)阝嫳砻孢M(jìn)行反應(yīng)濺射和氮化處理形成的CeN薄膜并不能有效提高鈰的抗腐蝕性能，進(jìn)一步制備CeN/TiN雙層復(fù)合膜可大幅提升金屬鈰的抗腐蝕性能，但是長(zhǎng)期貯存容易起泡脫落而失效；

2. 進(jìn)一步設(shè)計(jì)提出了以Ti為過(guò)渡層的Ti/TiN雙層復(fù)合膜，Ti增加了TiN和Ce之間的相容性和匹配性，大幅提高金屬鈰的抗腐蝕等性能，其中200nmTi/200nmTiN雙層復(fù)合膜抗腐蝕性能最優(yōu)；

3. 利用氦離子輻照在Ti/TiN雙層復(fù)合膜及金屬鈰基體內(nèi)引入定量的氦雜質(zhì)，其晶體結(jié)構(gòu)等未見(jiàn)明顯變化、膜基結(jié)合力有一定提高，抗腐蝕性能有一定降低，但是影響不明顯。

代表性學(xué)術(shù)發(fā)表

1. Corrosion resistance and mechanism of CeN, TiN and CeN/TiN bilayer composite film deposited by dual ion beam sputtering. Surface & Coatings Technology, 2017, 335. （SCI, IF=2.589）

2. Improved irradiation tolerance of reactive gas pulse sputtered TiN coatings with a hybrid architecture of multilayered and compositionally graded structures. Journal of Nuclear Materials, 2017, 501. （SCI, IF=2.048）

3. Amorphization of cerium mononitride during oxidization characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy, x-ray diffraction and x-ray photoelectron spectroscopy. Surface Review and Letters 2018:1850180. （SCI, IF=0.491）

4. Mechanical properties and structure evolution of single-crystalline silicon irradiated by 1 MeV Au+ and Cu+ ions. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B, 2018, 423:75-81. （SCI, IF=1.389）