【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于核功能陶瓷材料，涉及一种金属氮化物mn(m＝al或cr)/氧化物m’2o3(m’＝al、y或er)复合陶瓷抗蚀阻氚涂层制备方法，所述方法为聚变堆包层结构材料上一种金属氮化物mn(m＝al、cr)/氧化物m’2o3(m’＝al、y或er)复合抗蚀阻氚涂层的制备。
技术介绍
1、低活化铁素体/马氏体钢(rafm)是未来聚变反应堆包层模块的主要候选结构材料。由于包层的主要功能是产生聚变氚燃料，提供给聚变堆高温等离子体持续运行，从而实现氚自持。但氚作为小分子极易通过结构材料渗透而损失造成对环境的放射危害，且导致结构材料脆化，因此必须在结构材料上制备涂层作为氚渗透屏障(tpb)。常见的抗蚀阻氚涂层主要包括金属氧化物(al2o3、cr2o3、y2o3、zro2和er2o3等)、氮化物(fe2n、tin)、碳化物(tic、sic等)及其复合材料等。不同种类的抗蚀阻氚涂层具备各自的优缺点，al2o3涂层具有较高的阻氚因子(>104)、成熟的部件级制备工艺、一定的自修复功能(al镀层可与氧气自发形成稳定的al2o3钝化膜)，因而成为主流的阻氚涂层，适用于li4sio4/li2tio3固态球床包层和氚外循环部件。除al2o3涂层以外，m’2o3(m＝y、er)等稀土氧化物涂层不仅具有优异的阻氚性能，而且与液态氚增殖包层中腐蚀性更强的液态锂铅合金具有良好的相容性，使得其备受关注。
2、er2o3涂层作为一种稀土氧化物，也是公认的tpb候选材料之一。er2o3呈立方晶体结构，晶格常数为1.05nm，在2300℃以下具有较
3、aln涂层具有高稳定性、高热阻率、优异的抗辐照性能、低廉的制备成本等优点。aln具有六方晶体结构，al原子和n原子通过稳定的共价键连接，从而使得氚在aln中的解离和扩散活化能远高于金属结构材料，进而具有阻氚性能。而且由于其六方晶系的结构，与金属基体的热膨胀特性接近，热导率在陶瓷中也较高，可以有效地减少陶瓷涂层与金属基体的热应力，提高膜基结合力。然而，aln的水解反应给储存和成型加工带来了严重问题。aln在常温常压的空气氛围中保存时，容易接触到空气中的水分，在表层易发生水解反应。aln水解时，首先在晶体表面出现无定型alooh，然后无定型alooh逐渐向al(oh)3转化，最终反应生成的al(oh)3在aln晶体表面生长，在表面形成一层保护层将aln晶体包裹在内部。当aln被水水解时，会增加氧含量，进而降低aln陶瓷的热导率。
4、目前，金属氮化物/氧化物涂层的制备方法主要有热浸镀(hda)、电沉积(ecd)、化学气相沉积(cvd)及磁控溅射等，通常分为两步进行，即先镀上相应的活泼金属al、cr、y或er，再通过不同气氛下热处理原位生成mn(m＝cr、al)或m’2o3(m＝al、y、er)涂层。然而，这些方法存在一些局限性，如设备复杂、副产品有毒，尤其是在包层结构部件的复杂形状表面或管和腔室等的复杂形状的内表面上涂覆能力较差。因此，急需开发新的制备方法、改进现有技术来制备金属氮化物/氧化物tpb涂层。
5、溶胶-凝胶技术因其多功能性、简单的工艺装置、低温合成、成本效益、涂层成分和微观结构可控而引人注目。然而，溶胶-凝胶陶瓷涂层由于内应力的作用，在干燥和热处理的时候容易产生裂纹和气孔，氢/氚分子可以更容易穿透裂缝到达底层基体，从而降低涂层的阻氚性能。因此，溶胶-凝胶法是一项具有挑战性的任务，这可能会限制其在tpb涂层制备中获得广泛应用。
技术实现思路
1、针对以上不足，本专利技术提出了一种改进的溶胶-凝胶技术，即金属有机分解法(mod)，在聚变堆结构钢材上制备光滑无裂纹的金属氮化物mn(m＝al或cr)/氧化物m’2o3(m’＝al、y或er)复合陶瓷抗蚀阻氚涂层tpb涂层。mod前驱体是将有机酸盐及助剂溶解在有机溶剂里形成的粘稠液体。与溶胶-凝胶技术相比，mod过程中的起始羧酸盐对水不敏感，并且不会引起聚集反应，涂层不容易收缩或开裂。因此，具有成本低、致密性好、厚度可控、与膜基结合力强、不易开裂、不受工件大小限制、可在大型复杂形状工件表面进行制备等显著优点。
2、该复合陶瓷抗蚀阻氚涂层同时包含具备抗氚渗透能力及液态金属铅锂腐蚀能力以及较高的绝缘性能，解决了聚变堆复杂结构部件表面涂层难以在其表面涂覆的难题。
3、本专利技术解决的技术问题是：结合金属氮化物与金属氧化物涂层二者的优点，互相弥补了各自的缺陷，制备了一种金属氮化物mn(m＝al、cr)/氧化物m’2o3(m＝al、y、er)复合抗蚀阻氚涂层。复合阻氚涂层可以对基体进一步提供更好的保护和耐久性，两层涂层可以相互补充，增加表面的阻氚性能和耐腐蚀性。
4、本专利技术采用的技术方案为：
5、一种金属氮化物mn(m＝al或cr)/氧化物m’2o3(m’＝al、y或er)复合陶瓷抗蚀阻氚涂层制备方法，包含以下步骤：
6、(1)基体表面处理
7、基底先用sic砂纸和金刚石浆料进行研磨抛光，然后在室温下超声清洗；清洗过程按以下顺序进行：先将抛光好的基底放置在氢氧化钠溶液中，然后用乙醇和丙酮进行清洗，最后在去离子水中浸泡后，将清洁后的基体在干燥箱中干燥；
8、(2)金属氮化物mn(m＝al、cr)和金属氧化物m’2o3(m’＝al、y或er)前驱体溶液制备
9、取六水合氯化铝(或六水合氯化铬)，以及尿素，溶于无水甲醇中，对溶液加热搅拌后，得到金属氮化物mn(m＝al或cr)前驱体以备涂膜；
10、称取金属m’盐类溶解于乙酸正丁酯和乙二醇单甲醚的混合溶液中，对溶液加热搅拌后加入乙酸乙酯、松节油以及二乙醇胺作为稳定剂，最后加入松香及丙酸作为成膜促进剂，配置得到金属氧化物m’2o3(m’＝al、y或er)前驱体以备涂膜；
11、(3)涂膜
12、先选择所述的金属氮化物mn(m＝al或cr)前驱体溶液，采用浸渍提拉法进行涂膜；
13、(4)金属氮化物mn(m＝al或cr)陶瓷抗蚀阻氚涂层的干燥
14、将涂膜后的基材先置于空气氛围中保温，以干燥易挥发溶剂；
15、(5)金属氮化物mn(m＝al或cr)陶瓷抗蚀阻氚涂层的烧结成型
16、将涂膜干燥后的基体在氮气气氛下，加热至800～1000℃，烧结，制得金属氮化物mn(m＝al或cr)陶瓷抗蚀阻氚涂层；
17、(6)复合涂层制备
18、选择所述的金属氧化物m’2o3(m＝al本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种金属氮化物MN(M＝Al或Cr)/氧化物M’2O3(M’＝Al、Y或Er)复合陶瓷抗蚀阻氚涂层制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，基体材料选择316L不锈钢、低活化铁素体/马氏体钢或者高Cr马氏体钢。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所采用的金属M’(M’＝Al、Y或Er)盐类包括M’Cl3·6H2O(M’＝Al或Cr)、(CH3COO)3M(M’＝Al、Y或Er)、M’(NO3)3(M’＝Al、Y、Er或Cr)中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，六水合氯化铝(或六水合氯化铬)与尿素的摩尔比为1:4～1:8；溶液加热搅拌温度为60～80℃，搅拌时间为10～20min；乙酸正丁酯与乙二醇单甲醚体积比例为1:2～2:1；溶液加热搅拌温度为100～120℃，搅拌时间为60～120min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括对步骤(2)所得到的M’2O3前驱体材料进行样品分析，所述
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述样品分析还包括：金属氧化物M’2O3(M＝Al、Y或Er)陶瓷的成分组成采用X射线衍射仪扫描；前驱体成膜过程采用TG-DSC同步热分析进行测试。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：前驱体中测定的Er含量为2～5wt％。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述混合溶液中，丙酸含量为1～10wt％，松节油含量为10～20wt％，乙酸乙酯含量为3～13wt％，松香含量为0.1～10wt％；二乙醇胺体积分数为4～10％，乙酸正丁酯体积分数40～60％，乙二醇单甲醚体积分数为40～60％。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)(6)中，浸入和提拉速度为1mm·s-1，涂层厚度通过浸渍提拉、干燥以及再浸渍提拉，重复多次的方式调节。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)(5)(7)(8)中，升温速率为3～10℃·min-1。
...【技术特征摘要】
1.一种金属氮化物mn(m＝al或cr)/氧化物m’2o3(m’＝al、y或er)复合陶瓷抗蚀阻氚涂层制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)中，基体材料选择316l不锈钢、低活化铁素体/马氏体钢或者高cr马氏体钢。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所采用的金属m’(m’＝al、y或er)盐类包括m’cl3·6h2o(m’＝al或cr)、(ch3coo)3m(m’＝al、y或er)、m’(no3)3(m’＝al、y、er或cr)中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)中，六水合氯化铝(或六水合氯化铬)与尿素的摩尔比为1:4～1:8；溶液加热搅拌温度为60～80℃，搅拌时间为10～20min；乙酸正丁酯与乙二醇单甲醚体积比例为1:2～2:1；溶液加热搅拌温度为100～120℃，搅拌时间为60～120min。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述方法还包括对步骤(2)所得到的m’2o3前驱体材料进行样品分析，所述样品分析应...
【专利技术属性】
技术研发人员：芦伟，王飞跃，李文广，汪卫华，储德林，杨锦宏，贺胜男，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：
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