一种锆合金表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法技术

一种锆合金表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法是采用微波等离子体化学气相沉积法在锆合金表面原位生长石墨烯保护层，然后将锆合金/石墨烯样品置于原子层沉积设备的反应腔，进行碳化硅的沉积。由于原子层钝化颗粒碳化硅对悬键特别敏感，会优先沉积在石墨烯的缺陷位置，在石墨烯的孔洞、晶界处形成分散的团簇，而不是连续的薄膜，将石墨烯的缺陷进行钝化，从而实现石墨烯对锆合金的完全保护。本方法简单成本低，获得的薄膜保护性能优良，在核用锆合金的防腐领域具有潜在的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种锆合金表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法
本专利技术涉及一种锆合金表面防腐涂层的处理方法，具体地是采用微波等离子体化学气相沉积法在锆合金表面原位生长石墨烯保护层，然后将锆合金/石墨烯样品放入原子层沉积设备的反应腔，进行碳化硅沉积的一种锆合金表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法。
技术介绍
核动力的先进性、安全可靠性和经济性与包壳材料性能密切相关。现有锆合金的腐蚀在核反应堆中依然面临着严峻的考验，不容忽视，因此提高锆合金的耐腐蚀性能势在必行。由于锆合金的腐蚀都是从表面开始产生的，对锆合金进行表面改性处理是有效提高其耐腐蚀性能的重要方法。锆合金表面改性的方法有多种，例如阳极氧化、高压釜预生膜、等离子体电解氧化、电弧蒸发、喷涂、溶胶凝胶沉积、空气高频氧化、离子注入等技术。但是，通过目前的表面处理技术制备的保护膜都有一定的厚度，改变了锆合金的尺寸，而且厚的保护膜会降低锆合金的导热性。因此，克服这些问题的重要途径就是发展一种导热性好的超薄保护层使锆合金的尺寸及性能改变达到最小化。石墨烯是一种二维单原子层碳材料，由于具有许多特殊的性能，在学术界引起了空前的研究热潮。近期研究人员发现石墨烯可以作为金属的超薄保护涂层，保护金属材料不被腐蚀。这为核燃料元件包壳锆合金表面保护层的研究提供了新思路。因此，本专利技术提出用石墨烯作为锆合金表面保护层，在保证锆合金导热性以及形状、尺寸不受影响的同时，将锆合金和冷却介质有效隔离，提高锆合金的耐腐蚀性能。然而，石墨烯对金属的保护程度和它的晶体结构、层数、缺陷密切相关。高质量、无缺陷的单晶石墨烯能使其对金属的保护性能最大化。但是，通过现有方法很难获得大面积、零缺陷的单晶石墨烯薄膜，石墨烯内部纳米孔、晶界等缺陷的存在严重限制了它对锆合金耐腐蚀性能的改善。因此，如何对石墨烯的缺陷进行钝化处理，实现锆合金表面与冷却水的完全隔离，成为一个亟待解决的问题。
技术实现思路
为了解决锆合金包壳耐水侧腐蚀性能差，燃料包壳使用寿命短的问题，本专利技术提供一种锆合金表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法。本专利技术解决上述问题所采取的技术方案如下。一种锆合金表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法，所述方法是按下列步骤进行的：（1）将锆合金先在丙酮中清洗，在硝酸和氢氟酸混合液中浸泡后，再在无水乙醇中超声振荡2次，每次30min，去除表面杂质和油污，然后在氮气环境下烘干；（2）将锆合金置于微波等离子体化学气相沉积设备的反应腔内，将腔体抽真空至1Pa以下，通入50sccm～200sccm的氢气，调节微波功率至1000W～6000W，腔体气压保持在2kPa～9kPa，由氢等离子体轰击锆合金10min～180min，将基片加热并进一步清除表面的杂质；（3）通入甲烷并调节气体比例开始生长石墨烯薄膜，沉积时间是10～120s，沉积温度是300～600℃，气体流量甲烷/氢气是1/60、1/80、1/100、1/200或是1/300，腔体气压是2.7～7.4kPa，微波功率是1300～6000W；（4）沉积完成后，关闭甲烷气体和微波电源，继续通入氢气使腔体以2～3℃/s速率冷却至100℃以下，取出样品；（5）将获得的样品置于原子层沉积设备的反应腔，进行碳化硅钝化颗粒的沉积，将金属表面石墨烯的缺陷进行钝化处理；所述碳化硅钝化颗粒的沉积是按下列步骤进行的：向原子层沉积设备反应腔中通入氩气或氮气；向原子层沉积设备反应腔中通入含碳物质，使其与样品表面发生碳化学吸附；向原子层沉积设备反应腔中通入含硅物质，含硅物质中的硅原子与样品表面的碳原子形成碳硅键，待反应完全后，样品表面石墨烯缺陷处即形成碳化硅颗粒。基于上述技术方案，进一步的技术特征如下。所述将锆合金置于微波等离子体化学气相沉积设备的反应腔内，将腔体抽真空至1Pa以下时，进一步通入100sccm的氢气，调节微波功率至1300W，腔体气压保持在2.6kPa，由氢等离子体轰击锆合金30min，将基片加热并进一步清除表面的杂质。所述通入甲烷并调节气体比例开始生长石墨烯薄膜，进一步的沉积时间是120s，沉积温度是550℃，气体流量甲烷/氢气是1/60，腔体气压是4.0kPa，微波功率是1300W。所述向原子层沉积设备反应腔中通入含碳物质是四氯化碳，四氯化碳的流速是10sccm～400sccm，进气时间是0.5s～1s。所述向原子层沉积设备反应腔中通入含硅物质是硅烷，硅烷的流速是10sccm～100sccm，硅烷的进气时间是0.5s～1s。本专利技术上述所提供的一种锆合金表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法，与现有技术相比，本方法采用微波等离子体化学气相沉积法在锆合金表面直接生长石墨烯，将石墨烯的生长温度降到300～600℃，从而不会影响锆合金的显微组织；采用原子层沉积技术在石墨烯表面沉积碳化硅，原子层钝化颗粒对悬键特别敏感，会优先沉积在石墨烯的缺陷位置，在石墨烯的孔洞、晶界处形成分散的团簇，而不是连续的薄膜，将石墨烯的缺陷进行钝化，从而实现石墨烯对锆合金的完全保护。附图说明图1是锆合金样品在冷却介质中腐蚀的示意图。图中：1为锆合金，2为氧化锆，3为冷却介质中的水分子，4为锆原子。图2是锆合金/石墨烯样品在冷却介质中腐蚀的示意图。图中：1为锆合金，2为氧化锆，3为石墨烯，4为冷却介质中的水分子。图3是石墨烯缺陷钝化处理后锆合金/石墨烯在冷却介质中腐蚀的示意图。图中：1为锆合金，2为钝化颗粒，3为石墨烯，4为冷却介质中的水分子。具体实施方式下面对本专利技术的具体实施方式作出进一步的说明。实施一种锆合金表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法，该方法是按下列步骤进行的：步骤一、将锆合金置于丙酮中清洗，在硝酸和氢氟酸混合液中进行浸泡，后再在无水乙醇中超声振荡2次，每次30min，目的是去除锆合金表面的杂质和油污等，然后在氮气环境下进行烘干。步骤二、将锆合金置于微波等离子体化学气相沉积设备的反应腔内，并将腔体抽真空至1Pa以下，再通入50sccm～200sccm的氢气，并调节微波功率为1000W～6000W，后将腔体气压保持在2kPa～9kPa时，由氢等离子体轰击锆合金10min～180min，然后将基片加热并进一步清除表面的杂质。步骤三、通入甲烷并调节气体比例开始生长石墨烯薄膜，沉积时间是10～120s，沉积温度是300～600℃，气体流量甲烷/氢气是1/60、1/80、1/100、1/200或是1/300，腔体气压是2.7～7.4kPa，微波功率是1300～6000W。步骤四、沉积完成后，关闭甲烷气体和微波电源，继续通入氢气使腔体以2～3℃/s速率冷却至100℃以下，取出样品。步骤五、将获得的样品置于原子层沉积设备的反应腔，进行碳化硅钝化颗粒的沉积，将金属表面石墨烯的缺陷进行钝化处理；其中，碳化硅钝化颗粒的沉积是按下列步骤进行的：首先是向原子层沉积设备的反应腔中通入氩气或者氮气；其次是向原子层沉积设备的反应腔中通入含碳物质，使其与样品表面发生碳化学吸附；最后是向原子层沉积设备的反应腔中通入含硅物质，含硅物质中的硅原子与样品表面的碳原子形成碳硅键，待反应完全后，样品表面石墨烯缺陷处即形成碳化硅颗粒。基于上述具体实施方式，第二具体实施方式是将锆合金置于微波等离子体化学气相沉积设备的反应腔内，将腔体抽真空至1Pa以下，选择通入100sc本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锆合金表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法，所述方法是按下列步骤进行的：（1）将锆合金先在丙酮中清洗，在硝酸和氢氟酸混合液中浸泡后，再在无水乙醇中超声振荡2次，每次30min，去除表面杂质和油污，然后在氮气环境下烘干；（2）将锆合金置于微波等离子体化学气相沉积设备的反应腔内，将腔体抽真空至1Pa以下，通入50sccm～200sccm的氢气，调节微波功率至1000W～6000W，腔体气压保持在2kPa～9kPa，由氢等离子体轰击锆合金10min～180min，将基片加热并进一步清除表面的杂质；（3）通入甲烷并调节气体比例开始生长石墨烯薄膜，沉积时间是10～120s，沉积温度是300～600℃，气体流量甲烷/氢气是1/60、1/80、1/100、1/200或是1/300，腔体气压是2.7～7.4kPa ，微波功率是1300～6000W；（4）沉积完成后，关闭甲烷气体和微波电源，继续通入氢气使腔体以2～3℃/s速率冷却至100℃以下，取出样品；（5）将获得的样品置于原子层沉积设备的反应腔，进行碳化硅钝化颗粒的沉积，将金属表面石墨烯的缺陷进行钝化处理；所述碳化硅钝化颗粒的沉积是按下列步骤进行的：向原子层沉积设备反应腔中通入氩气或氮气；向原子层沉积设备反应腔中通入含碳物质，使其与样品表面发生碳化学吸附；向原子层沉积设备反应腔中通入含硅物质，含硅物质中的硅原子与样品表面的碳原子形成碳硅键，待反应完全后，样品表面石墨烯缺陷处即形成碳化硅颗粒。...

【技术特征摘要】
1.一种锆合金表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法，所述方法是按下列步骤进行的：（1）将锆合金先在丙酮中清洗，在硝酸和氢氟酸混合液中浸泡后，再在无水乙醇中超声振荡2次，每次30min，去除表面杂质和油污，然后在氮气环境下烘干；（2）将锆合金置于微波等离子体化学气相沉积设备的反应腔内，将腔体抽真空至1Pa以下，通入50sccm～200sccm的氢气，调节微波功率至1000W～6000W，腔体气压保持在2kPa～9kPa，由氢等离子体轰击锆合金10min～180min，将基片加热并进一步清除表面的杂质；（3）通入甲烷并调节气体比例开始生长石墨烯薄膜，沉积时间是10～120s，沉积温度是300～600℃，气体流量甲烷/氢气是1/60、1/80、1/100、1/200或是1/300，腔体气压是2.7～7.4kPa，微波功率是1300～6000W；（4）沉积完成后，关闭甲烷气体和微波电源，继续通入氢气使腔体以2～3℃/s速率冷却至100℃以下，取出样品；（5）将获得的样品置于原子层沉积设备的反应腔，进行碳化硅钝化颗粒的沉积，将金属表面石墨烯的缺陷进行钝化处理；所述碳化硅钝化颗粒的沉积是按下列步骤进行的：向原子层沉积设备反应腔中通入氩气或氮气；向原子层沉积设备反应腔中通入含碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：章海霞，侯莹，郭俊杰，魏丽乔，王永祯，李中奎，周军，石明华，马琼，黄增鑫，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14