共价键型锆、钛基惰性基体材料的电场强化低温烧结研究

共价键型锆、钛基陶瓷（ZrC、TiC、ZrN、TiN）被认为是第四代核能裂变系统惰性基体燃料（Inert Matrix Fuel，IMF）元件基体的重要候选材料。但当前，核燃料元件的制备存在着惰性基体陶瓷需要极高温度才能烧结致密化与锕系氮化物（AnN）核燃料本身在较低的温度下就因高饱和蒸汽压而容易挥发之间的矛盾，这将严重限制它们针对新型核能发展中的应用。本项目拟在有效提高这些陶瓷粉体表面与晶格缺陷浓度的基础上，在烧结过程中以外加直流电场的方式降低空位和自由电荷的激活能和扩散能，以期强化烧结早期阶段的物质迁移和空位扩散，进而实现具有缺位特征的共价键型锆、钛基IMF惰性基体材料的低温烧结，并在此基础上探索烧结机制与动力学规律。本项目的实施有望促进陶瓷材料在新能源领域的应用，对形成具有自主知识产权的核材料超低温烧结制备技术、丰富陶瓷的烧结理论、发展新型烧结技术具有重要的意义。

共价键型锆、钛基陶瓷被认为是第四代核能裂变系统惰性基体燃料（Inert Matrix Fuel，IMF）元件基体的重要候选材料。但核燃料元件的制备存在着惰性基体陶瓷需要极高温度才能烧结致密化与锕系氮化物（AnN）核燃料本身在较低的温度下就因高饱和蒸汽压而容易挥发之间的矛盾，这将严重限制它们针对新型核能发展中的应用。本项目通过新的工艺设计，在有效提高这些陶瓷粉体表面与晶格缺陷浓度的基础上，在烧结过程中以外加直流电场的方式降低空位和自由电荷的激活能和扩散能，以强化烧结早期阶段的物质迁移和空位扩散，进而实现具有缺位特征的共价键型锆、钛基IMF 惰性基体材料的低温烧结，并在此基础上探索烧结机制与动力学规律。首先搭建电场强化烧结平台，研究电场辅助烧结中电场环境对烧结的影响因素及规律，并探讨了外加电场对烧结致密化的作用机理；另外，针对MC和MN材料具有较宽的化学计量比的特征，引入空位或离子的浓度、增大MC、MN陶瓷晶格空位与位错的浓度或晶界的自由电荷，在外加电场的作用下，降低空穴或离子的激活能，强化空穴或离子在烧结过程中的扩散，达到降低共价键型钛、锆基惰性基体材料的烧结温度；在此基础上，研究了高浓度缺陷MCx和MNx粉体的制备以及缺陷型粉体的合成方法，并验证了合成粉体与预期吻合的烧结性能；作为扩展内容，开展了碳化物陶瓷的电场原位反应烧结一体化研究，针对高熔点碳化物陶瓷首次创新性的采用电场原位反应烧结，将碳热还原合成粉体和陶瓷烧结两个相对独立的部分合二为一，材料制备工艺大大简化，效率明显提高，且陶瓷烧结致密化温度降低，微观组织形貌良好，力学性能提升。本项目的实施有望促进陶瓷材料在新能源领域的应用，对形成具有自主知识产权的核材料超低温烧结制备技术、丰富陶瓷的烧结理论、发展新型烧结技术具有重要的意义。