ZrB2体材及薄膜制备技术研究

2014-07-24 刘朋闯中国工程物理研究院材料研究所

　　采用冷等静压成型结合高温烧结的方法制备ZrB2体材，并用磁控溅射方法在UO2芯块表面制备出ZrB2薄膜。利用X 射线衍射、扫描电子显微镜、X 射线能谱对烧结体及膜层的物相、形貌和成分进行了表征。采用热循环冲击的方法测试膜基结合性能。结果表明，所制体材能够满足磁控溅射制备ZrB2薄膜的需求。体材和膜层均为单相ZrB2，ZrB2薄膜生长均匀、致密且与基体有着良好的结合性能，膜层可以承受80℃到600℃快速升降温5 次的热循环而仍然与基体紧密结合。

　　ZrB2具有高熔点、高强度、高硬度、导电导热性好、良好的耐腐蚀性、捕集中子等方面的特点，使得其在高温结构陶瓷材料、薄膜材料、复合材料、核控制材料等诸多领域具有广阔的应用前景。为应对能源危机，核电技术得到了世界各国的广泛重视和大力研究，近年来，国内正在大力建设综合性能更好的第三代核电站AP1000。AP1000 反应堆所使用的核燃料为一体化可燃毒物( Integral-Fuel-Burnable-Absorber， IFBA) ， IFBA 是指在核燃料UO2芯块的圆周表面覆盖一层ZrB2的薄膜，ZrB2薄膜中的硼元素是以10 B 的形式浓缩存在。当这些IFBA 以组件的形式进入反应堆后，10B 就可以通过吸收热中子( 10B+ n→7Li + 4He) 来调节反应堆的反应性，从而达到提高核燃料的利用率，降低核电成本的目的。

　　国外在此领域开展过相关研究，由于技术保密而鲜有报道，国内也尚未查阅到相关的研究结果。由于ZrB2熔点高，硬度大，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为制备大块纯相ZrB2陶瓷十分困难。本研究采用冷等静压成型加高温烧结的方法制备ZrB2块材，并采用磁控溅射技术在UO2燃料芯块表面制备ZrB2膜层，为一体化可燃毒物的制备奠定基础。

　　结论

　　(1) 冷等静压成型后，采用常压烧结法，在2000℃，保温1 h 的条件下能获得相对密度为71%的纯相ZrB2烧结体;

　　(2) 采用磁控溅射的方法在UO2芯块表面制备ZrB2薄膜是可行的，且采用常压烧结法获得的靶材能够满足磁控溅射制备ZrB2薄膜的需要;

　　(3) 在所选工艺条件下，所得ZrB2膜层致密、均匀、物相纯净且与基体结合良好，能够经受从80℃到600℃快速升降温至少5 次的热循环冲击;