氟熔盐极端腐蚀环境下SiCf/SiC复合材料耐腐蚀机理及性能演变研究

Using molten fluoride salt as the coolant, molten salt reactor (MSR), the only liquid reactor type among six reactor concepts for the fourth generation nuclear energy systems, has the higher efficiency and better safety, and has been considered as the most promising energy resources in the future. However, fluoride salt corrosion, neutron radiation and long-term high temperature environment would damage most traditional materials. SiC fibers reinforced SiC ceramic matrix composites (SiCf/SiC composites) have been extensively used as structure materials due to their good chemical stability and outstanding high-temperature mechanical properties. In addition, the nice irradiation stability and compatibility with fluoride salt make SiCf/SiC composites one of the ideal candidate materials for MSR. However, there is very little information available on the corrosion behavior of SiCf/SiC composites in liquid fluoride salts, and experimental data is strongly needed to shed light on the corrosion effects in MSR systems. In this project, efforts will be focused on: (1) the study on corrosion-resistance mechanism of SiC in extreme corrosive environment of molten fluoride salt, (2) the relationship between miscrostructure damage and evolution of properties and (3) thermodynamic-dynamic model of SiCf/SiC composites in molten fluoride salt environment. This project will give the chance to obtain basic properties data of SiCf/SiC composites in molten fluoride salt and illuminate the corrosion mechanism of SiC in fluoride salt, which can contribute to the application of SiCf/SiC composites in nuclear energy area.

熔盐堆采用氟熔盐作为冷却剂，可有效提高系统效率和安全性。然而，氟熔盐本征强腐蚀性对传统材料损伤严重。连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基（SiCf/SiC）复合材料具有突出的化学稳定性、抗辐照性能以及良好的高温机械性能，被认为是未来氟熔盐冷却反应堆的关键候选结构材料。目前，SiCf/SiC复合材料在氟熔盐环境中的腐蚀机理和行为研究目前尚处于起步阶段，鲜有报道。项目拟开展如下工作：（1）模拟近服役状态的氟熔盐极端腐蚀环境，探究SiC在氟熔盐环境中的腐蚀反应、方式和机理；（2）建立熔盐腐蚀过程材料微观结构损伤与性能变化之间的关系，评价材料实用性；（3）构建静态氟熔盐环境下SiCf/SiC复合材料腐蚀热力学和动力学模型。通过本项目的研究，获得SiCf/SiC复合材料在高温氟熔盐环境中的基础性能数据，阐明SiC在高温氟熔盐中的腐蚀损伤机理，有效推动SiCf/SiC复合材料在高温氟熔盐环境中的应用。

熔盐堆采用氟熔盐作为冷却剂，可有效提高系统效率和安全性。然而，氟熔盐本征强腐蚀性对传统材料损伤严重。连续碳化硅纤维增强碳化硅陶瓷基（SiC/SiC）复合材料具有突出的化学稳定性、抗辐照性能以及良好的高温机械性能，被认为是未来氟熔盐冷却反应堆的关键候选结构材料。本项目对SiC材料在高温氟熔盐环境中的腐蚀行为、性能演变规律等进行了相对系统的研究:1)阐述了国产二代SiC纤维、CVI SiC基体等的腐蚀损伤特征，明确了氟熔盐腐蚀过程主要为Si元素的选择性溶出，多晶石墨为主要腐蚀产物之一。高纯SiC在900℃及以下氟熔盐环境中具有一定的化学相容性。随着温度的升高，腐蚀速率级数增加。2)深入探讨了SiC在高温氟熔盐环境中的腐蚀机理，针对高纯CVI SiC基体，首次发现了腐蚀界面无明显氧元素富集的现象，提出了与之前相关研究提出的“先氧化再腐蚀”机理完全不同的腐蚀过程与损伤机制。3)表征了高温腐蚀后SiC/SiC复合材料的微结构与力学性能，阐明以沉积层间的含氧边界腐蚀损伤为主，并随腐蚀温度的提高和时间的延长，发生沉积SiC基体层的损伤，导致的力学性能衰减随温度升高而增强的损伤机制。4)对比研究了PyC、SiC等的腐蚀防护涂层与效果。5)面向氟熔盐腐蚀环境的SiC/SiC复合材料-Hastelloy N合金异质连接用耐腐蚀钎料设计与初步研究探索。通过相关数据的积累，初步建立了基于CVI SiC/SiC复合材料的腐蚀性能基础数据库。6)在此基础上，构筑SiC基材料不同温度下样品重量变化与腐蚀时间的函数关系，提出并建立了SiC基复合材料腐蚀抛物线型动力学模型；利用数学方法拟合纵向对比温度与重量损失速率变化函数关系，明晰了SiC基材料在高温氟熔盐中的腐蚀过程符合阿伦尼乌斯方程，首次建立了相关热力学模型，计算了腐蚀过程的表观活化能，发现随腐蚀时间延长，表观活化能升高；证明了腐蚀过程为扩散控制，表面石墨层具有一定腐蚀防护作用。抛物线型腐蚀动力学模型的建立，为SiC基材料的服役寿命预测提供了直接的模型基础和科学支撑,进一步推动SiC基材料在熔盐堆中的工程化应用进程。