阻氢和氢同位素渗透玻璃质陶瓷壁垒层的制备及性能研究

论文摘要

由于化石能源的储量有限和环境污染问题,氢能和核聚变能被认为是最有前途的替代清洁能源。而高温高压氢环境下金属结构材料的氢脆及反应堆中氢放射性同位素的渗透和泄漏都是关系到设施安全和人员安全的必须解决的问题。因此研究在316L不锈钢和工业纯钛TA1基体表面制备玻璃质陶瓷壁垒层,并以氢模拟氢同位素表征涂层阻氢及其同位素渗透壁垒效应有重要的科学意义和实际应用价值。以玻璃质陶瓷涂层成分设计原则和方法为基础,根据涂层的运用要求,确定了钛和钛合金用玻璃质陶瓷涂层的两种玻璃母料TE94和TG75,以及316L不锈钢用玻璃母料SSE126。研究发现通过往玻璃母料中添加低表面能氧化物可成功解决涂层与金属基体的相互润湿问题;且微量水溶性高分子化合物M的添加,有效地改善了釉浆的涂覆性能。再结合两种控制浆体pH值的方法,可制得均匀稳定的浆体。对于搪瓷涂层,采用两涂两烧的方式,通过浸涂加旋转涂膜的方法制备粉末涂层,干燥后在一定温度下熔烧一定时间,最终在金属基体表面制得90-110μm厚的致密涂层,并且涂层与基体紧密结合、具有优异的抗落球冲击和热冲击性能以及抗高温氧化性能;另外采用一涂一烧的方式,在TA1基体表面制得厚约50μm的自剥落玻璃陶瓷涂层。采用西华特试验装置在550℃,5-7×103Pa的氢压下对有/无涂层及单纯的玻璃质陶瓷涂层进行气相充氢实验,结合维氏显微硬度分析证明玻璃质陶瓷壁垒层有效地阻止了氢和氢同位素扩散渗透,认为玻璃质陶瓷涂层阻止氢扩散渗透的机理除玻璃质涂层本身的玻璃质陶瓷结构使氢和氢同位素的扩散失去快速通道外,氢分子在涂层表层与涂层中的硅硼氧网络形成类似Si-H,O-H等键合,阻塞了氢分子扩散渗透的通道,从而进一步提高了氢和氢同位素在玻璃质陶瓷涂层中的扩散激活能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 阻氢及其同位素渗透壁垒层的研究背景
• 1.2 阻氢及其同位素渗透壁垒层的制备及评价体系的研究进展
• 1.2.1 阻氢和氢同位素渗透壁垒效应评价体系
• 1.2.1.1 渗透降低因子评价体系
• 1.2.1.2 氢和氢同位素吸收量评价体系
• 1.2.1.3 氢和氢同位素的深度分布评价体系
• 1.2.2 阻氢和氢同位素渗透壁垒层的研究进展
• 2O₃ 陶瓷涂层'>1.2.2.1 铝化层与Al₂O₃陶瓷涂层
• 1.2.2.2 钛化物陶瓷涂层
• 1.2.2.3 其余壁垒层
• 1.3 现有壁垒层所存在的问题
• 1.4 玻璃质陶瓷涂层
• 1.4.1 玻璃质陶瓷涂层的优点
• 1.4.2 玻璃质陶瓷涂层的不足之处
• 1.5 玻璃质陶瓷涂层的主要应用领域
• 1.6 玻璃质陶瓷涂层在阻止氢和氢同位素渗透领域的新应用
• 1.6.1 应用的前提
• 1.6.2 应用中面临的问题和解决的方案
• 1.7 课题研究的意义
• 第二章 阻氢及其同位素渗透壁垒层用玻璃熔块成分设计
• 2.1 设计原则
• 2.1.1 玻璃质涂层成分设计的根本原则
• 2.1.2 视基体而定的设计原则
• 2.1.3 视用途而定的设计原则
• 2.1.4 环保、廉价、易得的原则
• 2.2 涂层成分设计的方法
• 2.2.1 热力学方法
• 2.2.2 热膨胀系数的加和性质计算法
• 2.3 成分设计的最终结果
• 2.4 本章小节
• 第三章 阻氢和氢同位素渗透玻璃质壁垒层的制备
• 3.1 原材料
• 3.1.1 基体材料
• 3.1.2 涂层用原材料
• 3.2 搪瓷涂层的制备
• 3.2.1 熔炼制粉
• 3.2.1.1 称量配料
• 3.2.1.2 球磨混合与球磨制粉
• 3.2.1.3 熔炼造块
• 3.2.2 釉浆制备
• 3.2.3 涂层制备
• 3.2.3.1 基体表面处理
• 3.2.3.2 涂层浸涂
• 3.2.3.3 搪瓷化处理
• 3.3 水溶性高分子化合物M 及釉浆PH 值对玻璃涂层制备的影响
• 3.3.1 微量M 提高釉浆的流平性能
• 3.3.2 pH 值对涂层制备质量的影响
• 3.3.3 pH 值的控制方法
• 3.4 搪瓷涂层对316L 不锈钢基体的润湿性分析试验
• 3.4.1 添加A 对润湿性能的改善
• 3.4.2 润湿性改善的原因分析
• 3.5 本章小节
• 第四章 阻氢和氢同位素渗透搪瓷壁垒层的界面结合与抗氧化性能研究
• 4.1 涂层的显微分析
• 4.1.1 金相制备及分析方法
• 4.1.2 显微结构分析与讨论
• 4.1.2.1 SSE126 搪瓷涂层与316L 不锈钢基体之间的界面结合
• 4.1.2.2 TE94 搪瓷涂层与TA1 基体的界面结合
• 4.1.3 搪瓷涂层组织分析
• 4.2 涂层与基体的结合性能试验与分析
• 4.2.1 搪瓷涂层抗热冲击性能测试
• 4.2.2 抗落球冲击性能试验
• 4.2.2.1 SSE126 搪瓷涂层的抗落球冲击性能
• 4.2.2.2 TE94 搪瓷涂层抗落球冲击性能试验
• 4.3 搪瓷涂层的抗高温氧化性能
• 4.3.1 不连续高温氧化试验方法
• 4.3.2 SSE126 搪瓷涂层抗不连续高温氧化性能
• 4.3.3 TE94 搪瓷涂层抗不连续高温氧化性能
• 4.4 本章小节
• 第五章 搪瓷涂层的阻氢和氢同位素渗透壁垒效应研究
• 5.1 气相充氢试验
• 5.2 气相充氢结果与讨论
• 5.2.1 316L 不锈钢表面SSE126 搪瓷涂层的氢渗透壁垒效应
• 5.2.2 工业纯钛TA1 表面TE94 搪瓷涂层的氢渗透壁垒效应
• 5.2.3 显微分析
• 5.2.4 纯搪瓷涂层片的气相充氢试验
• 5.2.5 搪瓷壁垒层阻氢机理的探讨
• 5.3 本章小节
• 第六章 钛合金表面自剥落阻氢渗透玻璃壁垒层的制备及表征
• 6.1 玻璃陶瓷涂层的制备
• 6.2 玻璃陶瓷涂层的微观组织表征
• 6.3 玻璃陶瓷涂层的阻氢性能表征
• 6.3.1 气相充氢试验结果与讨论
• 6.3.2 气相充氢试样显微分析
• 6.4 本章小节
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 课题研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文