第四代核能系统用碳化锆陶瓷的缺陷和微结构调控及辐照性能研究

基本信息
批准号:11205229
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:28.00
负责人:王新刚
学科分类:
依托单位:中国科学院上海硅酸盐研究所
批准年份:2012
结题年份:2015
起止时间:2013-01-01 - 2015-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:王佩玲,薛佳祥,汤云,孙世宽
关键词:
碳化锆缺陷辐照性能微结构第四代核能系统
结项摘要

Zirconium carbide (ZrC) has good physical and chemical properties such as high melting point, good thermal stability, high thermal conductivity, low neutron absorption cross-section as well as good resistance to the corrosion of nuclear fission products. Due to its favorable high temperature characteristics mentioned above, ZrC is being considered as one of the candidate materials for the production of the inert matrix for some fuel components of the generation-IV nuclear reactor systems such as gas-cooled fast reactor and high temperature gas reactor. However, it is very hard to sinter ZrC to be dense owing its strong covalent bonding and low diffusion coefficient. Therefore high sintering temperature is generally needed, which also caused the coarse microstructures in the obtained ceramics. The poor microstructures limited its irradiation property improvement and its application as the inert matrix materials. Ultra-fine and pure ZrC powder is synthesized by the solution-based processing method using soluble metal-organic (zirconium-bearing) precursor and organic carbon-bearing precursors as the raw materials. High pressure spark plasma sintering is chosen to promote the sintering ZrC ceramics with fine microstructures at moderate temperature. Additives such as Zr and VC are used to enhance carbon defects and solid solution defects in the lattice of ZrC. The microstructures are tailored by controlling the diffusion process of defects, the solution and precipitation processes of additives. Effects of the defects and microstructures on the irradiation properties of ZrC are investigated. The relationship between high temperature properties and microstructure is also studied. This proposal supplies important knowledge accumulations, data and technique supports about the ZrC-based ceramics as the inert matrix materials.

碳化锆(ZrC)具有高熔点、良好的高温热稳定性、耐核裂变产物腐蚀、高热导率及较低的中子吸收截面等优良的物理、化学性能,是第四代核能系统用惰性基体燃料的重要候选材料。但目前ZrC的烧结温度高、材料显微结构粗化严重,限制了辐照性能的提升及在核能系统中的应用。本研究拟以含锆和碳的有机前驱体为原料,采用湿法合成制备高纯、超细ZrC粉体,结合高压放电等离子体烧结技术实现ZrC在温和温度下的致密化及细晶化。通过添加剂(Zr、VC等)的引入在碳化锆晶格中增加碳缺陷、固溶缺陷,以此促进烧结过程中的扩散传质,并通过添加剂的固溶-析出机制来调控材料的微结构。重点研究材料的缺陷及微结构等对辐照缺陷的捕获及复合机制,并考察材料辐照前后的高温力学、热学、蠕变等性能,阐明材料特性与辐照性能及高温性能的关系。本研究将形成具有自主知识产权的ZrC惰性基体材料,为其在核能上的应用提供重要的知识积累、数据支撑和技术支持。

项目摘要

碳化锆(ZrC)具有高熔点、良好的高温热稳定性、耐核裂变产物腐蚀、高热导率及较低的中子吸收截面等优良的物理、化学性能,是第四代核能系统用惰性基体燃料的重要候选材料。但目前ZrC的烧结温度高、材料显微结构粗化严重,限制了辐照性能的提升及在核能系统中的应用。本项目以有机前驱体氧氯化锆和蔗糖为原料,采用湿法合成并结合发泡辅助工艺制备了平均粒径为180nm、且粒径分布较窄的ZrC粉体,对前驱体的裂解过程、产物相组成、粉体形貌和粒径等特性进行了研究。以Si、Al、Zr为添加剂结合热压技术实现ZrC的低温(1500-1600℃)致密化、缺陷和微结构调控。利用添加剂与基体ZrC原位反应而生成碳缺位型ZrC1-x促进烧结中的扩散传质,原位反应生成具有增强作用的第二相SiC和Zr3Al3C5不但有利于调控材料的微结构,还有利于改善材料的常温综合力学性能。重点研究了材料的缺陷及微结构与材料Xe离子辐照性能的关系,阐明了材料特性对辐照缺陷的捕获及复合机制。研究了过渡金属碳化物WC添加剂通过与基体ZrC形成固溶体对材料高温力学(内耗、弹性模量、抗弯强度)和热学性能的影响机制及其作用机理,WC掺杂可以提升ZrC陶瓷的高温抗弯强度和高温弹性模量。理论计算和实验结果都表明 (Zr, W)C固溶体的形成可以促进氧进入ZrC晶格,起到净化ZrC陶瓷的晶界的作用。项目也初步考察了ZrC基陶瓷的耐熔盐腐蚀性能。本研究为ZrC惰性基体材料在第四代先进核能系统中的应用提供重要的技术支持和理论指导。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

EBPR工艺运行效果的主要影响因素及研究现状

EBPR工艺运行效果的主要影响因素及研究现状

DOI:10.16796/j.cnki.1000-3770.2022.03.003
发表时间:2022
2

复杂系统科学研究进展

复杂系统科学研究进展

DOI:10.12202/j.0476-0301.2022178
发表时间:2022
3

二维FM系统的同时故障检测与控制

二维FM系统的同时故障检测与控制

DOI:10.16383/j.aas.c180673
发表时间:2021
4

末次盛冰期以来中国湖泊记录对环流系统及气候类型的响应

末次盛冰期以来中国湖泊记录对环流系统及气候类型的响应

DOI:DOI: 10.11821/dlxb201611003
发表时间:2016
5

汽车侧倾运动安全主动悬架LQG控制器设计方法

汽车侧倾运动安全主动悬架LQG控制器设计方法

DOI:
发表时间:2017

王新刚的其他基金

批准号:71572193
批准年份:2015
资助金额:50.00
项目类别:面上项目
批准号:81401591
批准年份:2014
资助金额:23.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:11575275
批准年份:2015
资助金额:70.00
项目类别:面上项目
批准号:81772069
批准年份:2017
资助金额:52.00
项目类别:面上项目
批准号:51475086
批准年份:2014
资助金额:80.00
项目类别:面上项目
批准号:71202179
批准年份:2012
资助金额:21.50
项目类别:青年科学基金项目
批准号:41902268
批准年份:2019
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:10805038
批准年份:2008
资助金额:18.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:51105068
批准年份:2011
资助金额:21.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:11375109
批准年份:2013
资助金额:72.00
项目类别:面上项目
批准号:11875182
批准年份:2018
资助金额:58.00
项目类别:面上项目
批准号:51177006
批准年份:2011
资助金额:57.00
项目类别:面上项目

相似国自然基金

1

新型碳化锆木质陶瓷的制备、微结构及性能研究

批准号:51202198
批准年份:2012
负责人:武海棠
学科分类:E0204
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
2

第四代高温核反应堆用新型碳化物陶瓷的设计、制备和性能研究

批准号:50832008
批准年份:2008
负责人:周延春
学科分类:E0204
资助金额:180.00
项目类别:重点项目
3

高温烟尘过滤用碳化硅多孔陶瓷的制备及性能研究

批准号:51202225
批准年份:2012
负责人:袁波
学科分类:E0204
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
4

辐照条件下锆基非晶涂层的微结构演变及服役性能关联性研究

批准号:51571182
批准年份:2015
负责人:胡俊华
学科分类:E0103
资助金额:62.00
项目类别:面上项目