界面结构对复合涂层阻氢渗透性能影响及作用机理研究

The preparation of high effective hydrogen permeation resistance coating on structural materials of fusion reactor seems to be one of the scientific and technological issues. The multi-layer composite coating exhibits much lower permeability than the single ceramic coating with similar thickness, the more layers, and the lower permeability. This indicates that the increasing of interface layer has a great influence on improving the hydrogen permeation resistance. However, the essential effect of interface on the hydrogen permeation resistance remains unclear. In this project, the composite coatings with different crystalline state (Al2O3/Cr2O3 and ZrO2/Cr2O3) and coherent lattice interface (Al2O3/YSZ) are prepared. The analysis methods of XRD, SEM, hydrogen permeation system, thermal desorption spectrometry (TDS), glow discharge optical emission spectrometry and slow positron annihilation (SPAT) are used to study the effects of interfacial structure and microscopic defects on the hydrogen diffusion coefficient, desorption coefficient, residence quantity and defect capturing desorption energy. Combined with the material calculation assistant analysis, the effects of interface and defects on the hydrogen diffusion path and diffusion energy barrier are investigated. These investigations will provide essential insight in further understanding the hydrogen permeation mechanism of the interface structure. The project has an important value in engineering and science as its results will provide guide for the optimized design and performance assessment of the ceramic coatings against hydrogen permeation.

在IETR核聚变反应堆材料表面制备高性能阻氢渗透涂层是氚防护领域的重要研究方向之一。由多层陶瓷薄膜复合而成的涂层具有高的氢阻挡渗透性能，且阻氢性能随薄膜复合层数增加而显著提高，这表明层间界面引入对提高涂层阻氢性能十分有效，但作用机理并不清楚。本项目拟通过制备具有不同结晶状态和晶型的Al2O3/Cr2O3和ZrO2/Cr2O3复合涂层，和具有共格界面的Al2O3/YSZ复合涂层，采用XRD、SEM、氢渗透、热脱附、辉光放电光谱和慢正电子湮灭等分析方法，研究界面结构和微观缺陷对氢扩散和脱附行为、氢驻留量、缺陷捕获解附能等的影响，结合材料计算辅助分析界面和缺陷对氢扩散路径和扩散能垒作用，最终探明界面结构对复合涂层阻氢渗透性能影响机理。研究结果对设计和制备高性能阻氢涂层具有重要的意义和工程应用价值。

在涉氢领域，像核聚变、天然气掺氢及太阳能集热管等，不锈钢作为常用结构材料，在工作过程中常与高温高压氢直接接触。氢的强渗透性易导致不锈钢发生氢损伤，且氢同位素的渗透泄漏会对周围环境产生污染。为降低氢及其同位素的渗透率，在结构材料表面制备阻氢涂层成为行之有效的解决方案。.本项目采用射频磁控溅射的方法以316L不锈钢为基体，在其表面分别制备了Al2O3、Cr2O3、Y2O3和YSZ四种单层涂层，依据热膨胀系数递减及晶格常数相近的原则，对上述四种涂层进行复合，制备了晶体/非晶，非晶/晶体和晶体/晶体三种不同结构的复合涂层，并对其微观形貌、物相、元素分布、热稳定性、阻氢渗透性能及氢渗透机理进行分析研究。结果表明，厚度相近（约250 nm）的Al2O3、Cr2O3、Y2O3和YSZ单层涂层均致密沉积，除Al2O3涂层外，其余三种涂层均为晶态结构；另外Y2O3涂层阻氢性能最佳，在700℃&80 kPa渗透氢压共同作用下，其渗透阻挡因子为256，是Al2O3和YSZ涂层的2倍，是Cr2O3涂层的5倍，表现出良好的阻氢性能。在三种不同复合结构涂层中，非晶/晶体结构Al2O3/Y2O3复合涂层阻氢性能最佳，氢在其中扩散渗透激活能为126 kJ/mol，在700℃&80 kPa渗透压共同作用下，其渗透阻挡因子为536，高于单层Y2O3涂层的2倍。氢在氧化物涂层中的渗透由表面扩散和体扩散共同控制，以表面扩散为主，对于氧化铝涂层，氢在涂层中扩散时，氢原子最稳定位置位于两个相邻氧八面体间隙的中间位置，需克服的能量势垒为1.10 ev；其次，在高温状态下，SS/Al2O3/Y2O3涂层在边缘位置所受残余应力最大，也就是说涂层在高温状态下长期服役，裂纹萌生位置主要位于涂层边缘位置且向内部逐渐延伸。.通过对比单层及不同结构复合涂层，在保证涂层厚度相近情况下，界面引入增大氢扩散阻力，有效改善涂层阻氢性能；对于复合涂层体系，非晶/晶体复合结构阻氢性能最佳，为后续高性能阻氢涂层的设计和制备提供了实验依据和价值指导。