炉内成球法制备SiC空心陶瓷微球

采用干凝胶法,以聚碳硅烷（PCS）为原料,通过炉内成球技术制备了SiC空心陶瓷微球。并利用TG、IR、SEM、XRD等方法对陶瓷微球进行了成键结构、表面形貌等分析,讨论了有机聚合物的陶瓷化过程机理。结果表明,干凝胶成球技术能利用经纯化处理的聚碳硅烷在500~600 ℃下得到SiC空心陶瓷微球,采用乙醇作为发泡剂可使PCS凝胶粒子得到良好发泡效果,提高载气中氦气含量至50%~80%可提高干凝胶粒子在吸热阶段的升温速率,微球经辐照后在850 ℃下碳化生成以β-SiC为主要相结构的球壳,球壳具有较好的表面平整度。     

炉内成球技术制备PS-PVA双层球

本工作研究采用炉内成球技术制备惯性约束聚变用靶丸聚苯乙烯-聚乙烯醇（PS-PVA）双层球。以乳液法制备PS微球，利用炉内成球技术在PS微球表面制备PVA层。研究表明，在PVA质量浓度为5％、炉内为空气、炉温473～523K条件下，可制备出PS-PVA双层球。双层球直径范围250～550μm，PVA层厚度范围1.0～2.4μm，PS-PVA双层球表面光洁度3～10nm，微球充氩气的最低温度350～360K，室温条件下对氘气的保气半寿命1～5h。     

聚合物空心微球密度匹配法制备工艺研究

以聚苯乙烯（PS）为成球材料,研究了聚合物空心微球密度匹配法制备工艺中的油相（O相）有机溶剂各及配比、O相固化温度及时间、各相溶液中固体颗粒杂质、球内封装水（W1相）的置换等因素对产品微球质量的影响。制得了直径100－500μm、壁厚2－20μm、球形度≥99％、同心度相对偏差≤5％、表面粗糙度≤20nm的PS空心微球。     

干凝胶法制备空心玻璃微球的炉内成球过程分析

基于干凝胶粒子炉内成球过程的分解实验结果及各阶段中间产物的分析测试结果,通过对干凝胶法制备空心玻璃微球工艺的传热、传质和运动的过程分析,将干凝胶法制备空心玻璃微球炉内成球过程合理简化为吸热、封装、气泡形成及聚并、精炼、冷却5个阶段。吸热阶段的升温速率以及发泡剂的分解温度和发泡效率、精炼阶段的精炼时间和温度、冷却阶段的冷却速率是影响干凝胶法制备空心玻璃微球工艺和空心玻璃微球最终质量的关键因素。     

用于ICF的非晶SiC微球制备及微观结构研究

以四甲基硅烷、反式二丁烯和氢气为工作气源,采用化学气相沉积-高温热解法成功制备了壁厚约21μm的非晶SiC微球。利用能量色散X射线光谱仪、X射线光电子能谱仪、X射线衍射仪、Raman光谱仪、扫描电子显微镜、白光干涉仪和X射线照相机对SiC微球的化学成分、结晶状态、表面形貌与粗糙度以及密度与球形度等进行了测量和分析。结果表明:在无氧环境下,通过450~900℃的高温热解及致密化可将在聚α甲基苯乙烯芯轴上沉积的掺硅碳氢聚合物涂层转变成致密的SiC微球。SiC微球呈非晶态,其C/Si原子比约为1.3,主要含有C—Si键和C=C键,微观结构呈无规则状且颗粒分布均匀,密度、球形度和壁厚均匀性分别为2.62 g/cm~3、99.8%和96.8%。     

锆合金包壳水侧SiC涂层研究

研究了聚碳硅烷(PCS)粉末的高温裂解特性及PCS粉末与锆粉间的化学反应机理,并在900℃制备了SiC涂层。研究发现,900℃开始,PCS裂解产物由无定形态SiC向结晶态转变。不同温度下,PCS粉末与锆粉的混合物发生一系列化学反应,产物为ZrC、Zr_2Si、Si_3Zr_5,通过调节反应温度,可控制该化学反应的程度,进而实现对涂层成分的调节。采用先驱体转化法(PIP)在锆合金包壳表面制备了SiC涂层,经PCS溶液浸涂-裂解3次循环可得到SiC陶瓷层,厚度为4μm,涂层成分为SiC,ZrC为过渡层。划痕法测试得到涂层附着力等级为1～2级。     

包覆工艺对微球形燃料相弥散燃料混合均匀性的影响

针对微球形燃料相颗粒与基体粉末的流动性相差较大、难于混合均匀,建立了一种微球的包覆工艺,并研究了包覆工艺对混合均匀性的影响。采用直径约为100μm的不锈钢微球代替燃料微球,研究结果表明,在微球表面物理包覆一层基体粉末,可增加颗粒表面粗糙度,降低两组元粉末的密度差及颗粒沉降的距离,包覆层还能使颗粒间保持一定的间距,微观上形成连续的基体网络,减少甚至避免发生偏聚,有效地改善了混合均匀性。包覆工艺的最佳参数为:保温温度,76℃;保温时间,6min;黏结剂添加量,1%;粉末粒径,小于25μm。该方法可用于改善(U-Mo)-Al、(U-Mo)-Zr等微球形燃料相弥散燃料的混合均匀性。     

锆合金包壳水侧SiC涂层研究

研究了聚碳硅烷（PCS）粉末的高温裂解特性及PCS粉末与锆粉间的化学反应机理,并在900 ℃制备了SiC涂层。研究发现,900 ℃开始,PCS裂解产物由无定形态SiC向结晶态转变。不同温度下,PCS粉末与锆粉的混合物发生一系列化学反应,产物为ZrC、Zr₂Si、Si₃Zr₅,通过调节反应温度,可控制该化学反应的程度,进而实现对涂层成分的调节。采用先驱体转化法（PIP）在锆合金包壳表面制备了SiC涂层,经PCS溶液浸涂-裂解3次循环可得到SiC陶瓷层,厚度为4 μm,涂层成分为SiC,ZrC为过渡层。划痕法测试得到涂层附着力等级为1～2级。     

电子束辐照聚碳硅烷陶瓷先驱体的化学结构及其热解特性的研究

利用EPS型电子加速器和其它设施在空气中辐照聚碳硅烷(PCS),以使之形成交联结构,达到不熔化的目的,然后经高温热解转化为SiC功能陶瓷。结果表明,在辐照产物中形成了Si-C-Si以及Si-O-Si等交联结构,使其热解温度以及热解陶瓷产率皆随辐射吸收剂量增加而明显提高。通过TGA-FTIR联用分析技术在热解产物中检测到了低分子量PCS以及CH_4等小分子化合物,在吸收剂量高于2.3MGy时PCS主要通过析出CH_4而热解成SiC。X射线衍射分析结果表明,热解产物(1200℃,N_2气氛)为部分结晶材料。结晶区的存在对于提高SiC的耐热性能和力学强度具有明显作用。根据这些实验结果,探讨了PCS的辐射不熔化反应机理以及辐照产物的热解机理,为本成果的应用奠定了基础。本成果在SiC陶瓷纤维的研制中已获应用,在陶瓷基复合材料、金属表面陶瓷涂层以及ICF研究用特种陶瓷微球的研制等领域具有应用前景。     

低温冷冻靶用聚合物泡沫球壳研制

利用三羟甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）的溶液聚合反应，结合多次乳化技术，制备出了惯性约束聚变低温冷冻靶用泡沫空心微球，密度约为50mg/cm^3，微球直径150－300μm，最大球径可达400μm以上，球形度好于955，泡沫蜂窝直径2－5μm。     

空心玻璃微球热扩散法充Ar

采用热扩散法研究高温高压充Ar技术。研究结果表明，当温度低于500℃时，玻璃微球球内基本检测不到Ar；在600℃高温条件下可实现微量Ar气的渗透；在外压1.0MPa、24h条件下，球内Ar最高含量为0.003MPa；延长充气时间和增加外压均不能使微球内Ar量增加；随着充气温度升高，微球表面粗糙度由原来的不到20nm增加到50～100nm，微球损失也增大；在600℃、1.0MPa条件下，玻璃微球开始出现形变或破裂，微球损失超过50％。     

模拟高放玻璃体在高温湿气中的蚀变行为

模拟地下水穿透地质处置多重屏障情形下，地下水会以高温蒸气的形式与高放玻璃体发生反应，加速玻璃体的蚀变。采用纯水和特定的盐溶液作为浸泡剂以控制体系的相对湿度分别在100%和90%左右。模拟高放玻璃体样片用聚四氟乙烯线悬挂在浸泡剂上方并在低氧箱中平衡，分别在120 ℃和150 ℃的干燥箱内反应。通过测试浸泡液中各元素的浓度和分析玻璃体表面的腐蚀产物，以表征玻璃的蚀变速率。实验发现，温度对玻璃腐蚀的影响最为明显，湿度的影响较弱。玻璃体中大多数元素在150 ℃下的浸出速率高于120 ℃下的浸出速率2～3个数量级。90 d时，玻璃体在150 ℃下已观察到显著的腐蚀。900 d后，150 ℃下玻璃体已基本完全腐蚀；而在120 ℃下的玻璃腐蚀程度很小，900 d时腐蚀厚度仍小于50 μm。150 ℃时随着腐蚀的发生，玻璃表面的SiO2腐蚀层逐渐形成以钙的硅酸盐为主的二次矿相。     

模拟高放玻璃体在高温湿气中的蚀变行为

模拟地下水穿透地质处置多重屏障情形下，地下水会以高温蒸气的形式与高放玻璃体发生反应，加速玻璃体的蚀变。采用纯水和特定的盐溶液作为浸泡剂以控制体系的相对湿度分别在100%和90%左右。模拟高放玻璃体样片用聚四氟乙烯线悬挂在浸泡剂上方并在低氧箱中平衡，分别在120 ℃和150 ℃的干燥箱内反应。通过测试浸泡液中各元素的浓度和分析玻璃体表面的腐蚀产物，以表征玻璃的蚀变速率。实验发现，温度对玻璃腐蚀的影响最为明显，湿度的影响较弱。玻璃体中大多数元素在150 ℃下的浸出速率高于120 ℃下的浸出速率2～3个数量级。90 d时，玻璃体在150 ℃下已观察到显著的腐蚀。900 d后，150 ℃下玻璃体已基本完全腐蚀；而在120 ℃下的玻璃腐蚀程度很小，900 d时腐蚀厚度仍小于50 μm。150 ℃时随着腐蚀的发生，玻璃表面的SiO2腐蚀层逐渐形成以钙的硅酸盐为主的二次矿相。     

预处理和溅射工艺参数对锆合金表面TiN涂层膜/基结合强度的影响

为获得高结合强度锆合金表面涂层的制备技术,采用磁控溅射法制备了TiN涂层、划痕法测试了膜/基结合强度,研究了基体预处理表面粗糙度、溅射功率、基体加热温度和基体偏压对锆合金表面TiN涂层膜/基结合强度的影响。实验制备的TiN涂层厚度在5～15 μm范围内、基体预处理表面粗糙度在（0.20±0.03） μm范围内时,溅射功率为500 W及基体加热至300 ℃时涂层均有较好的结合强度。基体偏压为-100 V时涂层在所讨论的4种基体偏压中具有最好的结合强度。结果表明,溅射工艺参数对涂层膜/基结合强度有显著影响,其中影响显著性从大到小依次为基体加热温度、基体偏压、溅射功率、基体预处理表面粗糙度。     

活性UO3制备技术研究

为提高UO₃活性、降低铀转化生产成本,以硝酸铀酰溶液为原料、丙烷燃烧产生的高温气体为热源,采用高压喷雾技术制备了高活性UO₃粉末。探讨了硝酸铀酰溶液中的铀浓度和反应温度对UO₃活性的影响,并分析了高压喷嘴结构对UO₃粉末粒度分布的影响。实验结果表明,在反应温度400 ℃、反应压力-100 Pa等控制条件下,采用雾化干燥技术制备的UO₃比表面积可达18 m²/g,粉末粒径在15～50 μm之间,说明制备的UO₃活性较好。其原因是高温高速气流与雾化液滴横向接触时,不仅发生了高速气体对液滴的撕裂作用,也存在高温条件下水气化导致液滴破裂的过程。同时也显示该工艺具有潜在的工业应用价值。     

500～700μm直径双层空心微球制备技术研究

采用聚苯乙烯微球臭氧化改性技术和搅拌桨叶轮结构优化技术,提高聚苯乙烯（PS）与聚乙烯醇（PVA）之间的作用强度,优化体系容器内的流场运动环境,制备了500～700 μm直径的PS-PVA双层空心微球,并考察了液滴初始密度与溶剂密度匹配关系对最终PVA涂层均匀性的影响。结果表明,固化温度为37 ℃、溶剂-液滴初始密度差在0.010 g/cm³附近及固化温度为20 ℃、溶剂-液滴初始密度差在0.015～0.020 g/cm³附近能获得较好的PVA壁厚均匀性。     

激光烧蚀R-T不稳定性研究中的双模式CH平面调制靶制备

为研究同一次激光驱动下初始扰动幅值不同时瑞利-泰勒（Rayleigh-Taylor,R-T）不稳定性非线性演化的差别,采用单点金刚石车削技术,以太空铝合金为材料加工了两侧具有不同扰动幅度的模板。然后利用旋转涂覆工艺将模板表面的扰动图形转移至CH薄膜表面,制得了双模式CH平面调制靶。通过QC-5000型光学显微镜、alpha-step 500型台阶仪、NT1100型白光干涉仪等对铝合金模板及CH平面调制靶的周期、振幅等参数进行测量。结果表明：模板和CH平面调制靶的两侧均具有不同的扰动图形;两侧扰动的波长相同,均为54 μm左右,但振幅不同,分别为4.8 μm和1.9 μm;两侧扰动的平衡位置在同一水平面,调制图形的各项参数与设计值基本一致,模板表面的扰动图形成功地转移到了CH薄膜表面,获得了满足R-T不稳定性实验需求的双模CH平面调制靶。     

硼酸三甲酯直接热解制备碳化硼

有机溶胶-凝胶技术是目前低温合成超细碳化硼粉体的研究热点。基于该技术直接采用硼酸三甲酯作为热解原料,相比有机溶胶-凝胶技术,省去了形成凝胶这一过程,简化了操作流程。通过X射线衍射和扫描电子显微镜分析,研究了反应温度、压片压力、反应时间以及升温、降温速率对产物纯度和形态的影响。分析结果显示:在以上研究因素中,反应温度及升/降温速率对形成均匀的亚微米尺寸碳化硼起主要作用,并在1 600℃、400℃/min快速升/降温速率下得到了粒径分布在1μm左右的均匀碳化硼产物。