SiC包覆层的微观结构调控与性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 杨旭 |
| 答辩日期 | 2020 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所) |
| 导师 | 朱智勇 |
| 关键词 | TRISO颗粒 SiC 微观形貌 生长机制 高温退火 |
| 英文摘要 | TRISO（tristructural-isotropic）颗粒是一种包覆型燃料颗粒，由内部燃料核芯、疏松热解碳（Buffer）层、内致密热解碳（IPyC）层、SiC层及外致密热解碳（OPyC）层组成。TRISO颗粒由于其固有的安全性，可应用于高温气冷堆、固态燃料熔盐堆等新型反应堆或全陶瓷型燃料元件（FCM）中。在TRISO颗粒的四层包覆层中，SiC包覆层由于其具有化学性质稳定、导热性好、力学性能高、耐辐照、耐腐蚀等优良性能，在TRISO颗粒中作为最主要的阻挡与承压层。SiC包覆层主要用于阻挡燃料内部裂变产物的释放以及承受内部裂变气体压力。目前SiC包覆层存在的问题主要有内部气压较大时导致的破裂和Ag离子等部分裂变产物在SiC包覆层中的释放等，提升SiC包覆层的性能以避免其在使用过程中的失效已成为本领域的研究热点。制备细晶粒SiC包覆层被视作是有效提升SiC包覆层性能的方式之一。由于Ag离子在SiC包覆层中主要沿晶界进行扩散，细晶粒SiC包覆层中更曲折的晶界可有效抑制Ag离子的扩散；此外，细晶粒SiC包覆层中更高的晶界密度及层错密度也可有效提升其力学性能和抗氧化性能。针对这一优势，本文提出了一种新的细晶粒SiC包覆层的制备方式，通过调控工艺参数得到了细晶且纯相的SiC包覆层。在得到细晶与大晶粒两种不同的SiC包覆层后，本文对不同晶粒尺寸的SiC包覆层的力学性能及耐高温性能进行了对比。在制备SiC包覆层的过程中，本课题还对SiC包覆层的生长过程及生长机理进行了研究。主要内容如下：1、本课题研究了沉积温度与载气成分对SiC包覆层的影响。研究发现，当沉积温度较低（1200℃）时，由于原子活性较低，此时SiC包覆层晶粒尺寸减小，但最终产物中会含有Si杂质。当氢气在整个反应体系中所占比例越低时，反应生成的SiC中Si的含量就越低，而当氢气比例达到一定值以下时，SiC包覆层中出现C杂质，其含量随氢气比例降低而逐渐增加。根据以上研究结果，本课题通过调整反应温度与载气中氢气的含量，最终在低温下制备得到细晶且纯相的SiC包覆层。制备所得细晶SiC包覆层晶粒尺寸约150nm，内部含有较高密度的堆垛层错，此与细晶SiC包覆层的硬度与杨氏模量均优于大晶粒SiC包覆层的结果相一致。2、为了更深入地探究工艺条件对SiC包覆层的影响，本课题选取了SiC包覆层形貌与结晶性差别最大的1200℃与1500℃两个沉积温度来比较其生长机理的差异，在此过程中首创了通过收集沉积尾气中SiC颗粒来研究SiC包覆层最初生长状态的方法。通过对比SiC包覆层不同阶段的生长状态，本文最终提出了SiC层在低温与高温下两种完全不同的生长方式：（一）SiC包覆层在低温下生长时，首先在气态环境下形成小液滴（液滴为含碳原子和硅原子的长链分子结构，这种大分子结构过饱和析出时为液滴状态）。小液滴沉积在基底表面后逐渐聚集长大，并最终形成覆盖整个基底表面的SiC层；（二）SiC包覆层在高温下生长时，首先形成小晶粒，小晶粒随后沉积在基底表面并继续吸收小分子进行生长，最终各晶粒长大并互相接触形成SiC包覆层。两种生长方式不同的根本原因在于不同温度下SiC的形核率、结晶性和晶粒生长速率的不同，而两种不同的生长方式最终会导致SiC包覆层在形貌与成分上存在较大差异。3、由于在事故工况下反应堆内温度较高，而且TRSIO颗粒制备燃料元件时需经过高温纯化，因此评估TRISO颗粒的耐高温性能至关重要。本课题对细晶粒与大晶粒SiC包覆层的耐高温性能进行了比较。研究发现，细晶粒SiC经1700℃以下退火后，包覆层结晶性有微弱的提升但差别不大，晶粒尺寸亦无明显生长。当高于1800℃温度下退火时，细晶粒SiC中亚微米级的晶粒会发生生长，此时包覆层中失配位错发生复合，结晶性有大幅提升。而对于大晶粒SiC包覆层，其内部大晶粒在1800-1900℃的退火温度下也不会发生变化，但大晶粒缝隙间的小晶粒则会发生生长，据此本文推断认为，SiC包覆层在高温下内部产生孔洞的原因应该是由于晶粒的不均匀生长过程所致。此外发现，当退火温度高于1800℃时，SiC包覆层表层会发生分解并变疏松，其与外致密热解碳层之间也会因热膨胀系数不同而出现缝隙。本文的研究主要围绕细晶化SiC包覆层展开，即从细晶粒SiC层的制备工艺开始，随后对比研究了细晶粒SiC包覆层与大晶粒SiC包覆层的生长机制与耐高温性能，所得结果和结论加深了对SiC包覆层生长与退火机理的认识，同时有利于指导生产优质TRISO包覆颗粒。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/33828]  |
| 专题 | 上海应用物理研究所_中科院上海应用物理研究所2011-2017年 |
| 作者单位 | 中国科学院上海应用物理研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 杨旭. SiC包覆层的微观结构调控与性能研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所). 2020. |
入库方式： OAI收割
来源：上海应用物理研究所
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