多场耦合下纳米复合陶瓷阻氚涂层氘/氢渗透行为及失效机理研究

The design and reliability of Tritium permeation barrier is one of the difficult challenges for Tritium breeding blanket of fusion reactor. In this project, based on a lot of existing researches on the design theory and mechanism of nanocomposite material, we explore and quantize the formation, distribution and evolution processes of defects, such as vacancy，dislocation, and He bubbles with the adjustment nano crystalline and amorphous interface under the different irradiation condition (He/D, He/H mixed ion irradiation), thermal stress and electric field coupling. It is interesting that the phase composition,microstructure and properties of this barrier can be designed by turning different elements and proportion. And then, the influence process on H or D distribution and evolution will be mastered. Therefore, we can conclude the influence rule and failure mechanism of D and H diffusion behavior under the material selection and structure design.

阻氚渗透涂层设计和可靠性是氚增殖包层模块（TBM）迫切需要重点突破和解决的难点技术问题之一。针对目前阻氚渗透涂层设计和可靠性评价缺乏理性准则，且研究各自孤立，研究结果实践指导性相对较差的现状。本项目在总结纳米复合结构材料设计理念和机制的基础上，从涂层成分和微结构结构设计这一最基本的材料研究方法出发，探求和量化在不同辐照（He/D, He/H 混合离子辐照）、热应力、电场耦合交互作用的实验条件参数下，纳米晶微结构及非晶界面尺度调节与辐照致缺陷，如空位簇、位错、氦团簇（氦泡）等的形成、分布及演化规律之间的关联，进而掌握其对氢或氘分布和迁移演化的影响过程，重点探明材料的择选和尺度结构设计对氘和氢在其体内扩散行为的影响规律和失效机制的关联权重性。

本项目针对目前聚变堆阻氚渗透涂层制备和服役可靠性难点问题，提出经典nc-ZrN/a-Si3N4纳米复合陶瓷涂层、利用Cr2O3模板效应低温诱导a相Al2O3制备Cr2O3/Al2O3纳米复合阻氚涂层和采用超音速等离子喷涂技术制备a-Al2O3陶瓷阻氚涂层三种膜系的制备技术。研究结果发现超细纳米晶薄膜的纳米晶界界面为捕获吸纳He提供了丰富的位点，减少了He在晶粒内部累积损伤，抑制He元素在材料内部扩散迁移，提高了涂层的耐He+辐照损伤能力和氚同位素的扩散。同时，研究还发现t′-YSZ陶瓷相结构随着He+剂量增加呈现两个阶段变化，即：He+剂量在0.5×1017 cm-2 - 1×1017 cm-2范围时，t′-YSZ 陶瓷发生了t′→t相转变，剂量在2×1017 cm-2 - 10×1017 cm-2范围时，t′-YSZ 陶瓷发生了t′→t+c相转变。透射电镜图表明氦离子辐照后缺陷结构以及氦演变行为呈三个阶段：剂量低于1×1017 cm-2时，观察到t′-YSZ中诱发了位错、氦簇和空位簇等缺陷结构；当剂量增加至2×1017 cm-2时，在晶粒中观察到了明显的氦泡结构；进一步增加剂量，则t′-YSZ又演变为复杂形状的氦泡以及位错环等缺陷结构。.在多场耦合作用下氢同位素的渗透实验研究表明：高α相含量 (占比为78.6%) 涂层的硬度为11.5±0.575 GPa，约为高γ相 (75.6%) 涂层2倍；喷涂的Al2O3涂层能有效地提高CLAM钢基底的耐电化学腐蚀性能；相比高γ相 (75.6%) 涂层的腐蚀电流密度，高α相 (78.6%) 涂层的腐蚀电流密度降低了一个数量级，表明高α/γ相占比Al2O3涂层具有更优的耐电化学腐蚀性能和耐Cl-扩散穿透能力。利用Cr2O3模板效应低温成功诱导α相Al2O3的形成，Cr2O3/Al2O3界面外延生长，晶格失配微小。系统研究了不同调幅尺度Cr2O3/Al2O3的He+辐照损伤大小和缺陷演变的规律，发现Al2O3相结构的占比是决定Cr2O3/Al2O3纳米复合耐辐照和损伤的主要因素，同时利用SRIM模拟从理论角度提出最优耐He损伤的Cr2O3/Al2O33纳米复合涂层。设计纳米尺度的多层界面为捕获吸纳He提供了丰富的位点，不仅显著减少了He在晶粒内部累积损伤，而且还能抑制He元素在材料内部扩散迁移，提高了涂层的耐He+辐照损