新型耐高温、耐腐蚀、抗辐照、长寿命材料的设计、合成与表征

氮化钛、氮化锆、碳化钛和碳化锆是未来核能应用中所需要的惰性基体燃料的重要候选材料。但目前它们的韧性低，烧结温度高，限制了其针对核能发展中的应用，本研究着重研究和解决以上问题。通过利用氨化法、氮化物转化法制备氮化物和碳化物纳米粉体，并结合高压放电等离子体烧结来降低其烧结致密化温度。通过固溶强化、颗粒增韧、同质纤维增韧以及颗粒匹配等方式来提高他们的断裂韧性。通过组分设计的优化、烧结工艺控制以及微结构调控获得能低温烧结、具有优良力学性能和热物理性能的陶瓷材料。初步对其与模拟燃料的化学、物理相容性以及抗辐照性能进行评价。本研究将形成以ZrC, TiC, ZrN, TiN为代表的有自主知识产权的惰性燃料基体材料，并为它们在核能和平利用上提供知识积累、数据支撑和技术支持。

ZrC，TiC，ZrN，TiN等陶瓷因其中子吸收截面小、耐核裂变产物腐蚀、热导率高、熔点高以及优异的高温稳定性能，成为IMF的重要的候选材料。为避免的AmN等长寿命锕系核素的高温挥发，该类陶瓷必须要求低温烧结；作为燃料基体，该类陶瓷的抗辐照性能必须被研究；另外，在乏燃料干法后处理阶段，高温熔盐腐蚀性是IMF材料应该考虑的一个问题。本项目即围绕ZrC，TiC，ZrN，TiN陶瓷作为IMF材料面临的问题进行展开，主要研究结果如下：.首先，实现了该类陶瓷的低温烧结。采用氨化反应得到高比表面积的TiN纳米粉体，平均粒径为20nm，1500℃下热压烧结致密度达到95%以上；经氮化物转化法合成出TiC超细粉体，氧含量小于0.3wt%，借助SPS技术在1600℃下的烧结致密；以Ti，Si作为添加剂，即可在1500℃下热压致密；经碳热还原法合成出烧结性能良好的ZrC粉体，粒径小于1μm，氧含量为0.5wt%，以VC或Si作为添加剂，使其致密化温度降低至1600℃；在ZrN中添加金属Zr或Ti，形成单一ZrN1-x或（Zr，Ti）N1-x固溶体，使其热压烧结温度降低至1700℃。.其次，研究了显微结构的调控及其常规性能。为研究微结构对辐照性能的影响，制备出了不同晶粒尺寸、不同孔径和气孔率的TiN、TiC材料；在TiC中通过Ti，Si的添加原位引入Ti3SiC2相，达到了MAX板状晶粒弥散增强增韧TiC的复相陶瓷，弯曲强度高达1050MPa，断裂韧性为4.8MPa•m1/2，室温热导率为27W/mk；原位反应热压制备出ZrC1-x-xSiC复相陶瓷，其具有纳米分散结构，弯曲强度高达920MPa，断裂韧性为3.35 MPa•m1/2。.随后，评价了该类陶瓷作为IMF的核用性能。对材料进行辐照实验，首次提出固有晶格空位对辐照容忍度的改善作用，并发现晶界氧污染对辐照的敏感性问题。另外，进行了LiCl-KCl高温熔盐腐蚀试验，结果表明，ZrN和ZrC等锆基陶瓷的熔盐腐蚀相对容易，更适合作为IMF材料，而TiC和SiC在实验条件下几乎不受侵蚀。.综上，本项目的实施促进我国惰性燃料基体的生产技术进步和性能水平提升，形成具有自主知识产权的ZrC, TiC, ZrN, TiN超细粉体制备技术和材料烧结技术。从材料角度为我国建立具有创新能力和自主知识产权的核能产业体系提供科学依据和技术积累。