预处理温度对聚碳硅烷粒子炉内成球性的影响

本文以聚碳硅烷(PCS)为原料,采用炉内成球技术制备直径200~400μm、壁厚3~5μm的SiC空心微球,探讨微球制备的最佳条件,并在此基础上研究不同预处理温度对PCS成球产率及品质的影响。结果表明,炉内载气温度为500℃、He与Ar比例为3∶1时PCS的成球产率较高,且微球的球形度、同心度、表面光洁度均最好。此外,由于预处理过程去除了PCS中的低分子量聚碳硅烷和其他小分子,同时使其聚合度升高,提高了PCS的热稳定性和陶瓷化产率。因此,在最佳炉内成球条件下,PCS的成球率随预处理温度的升高而升高,所得微球的表面粗糙度却随之降低。经350℃预处理后的PCS粒子成球率最高,且微球的球形度和表面质量最佳。     

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。     

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。     

凝胶点前聚碳硅烷先驱丝的不熔化机理研究

采用γ射线在开放空气气氛中辐照聚碳硅烷(Polycarbosilane,PCS)先驱丝,研究了吸收剂量低于凝胶点剂量的PCS先驱丝的化学结构以及后续的热解反应过程.结果表明,在射线作用下,空气中的氧通过与PCS中的si-H、Si-CH3反应而被引入到辐照产物中,形成Si-OH、Si-0-si和C=O等结构;随着热处理温度的提高,在产物中进一步检测到Si-O-Si以及Si-C-Si等桥联结构,并存在凝胶化产物;辐照以后的PCS先驱丝其起始热解温度从320℃提高到约600℃,陶瓷产率也从57.5%提高到约83%.在本实验范围内,凝胶点剂量前的PCS先驱丝试样均能烧成得到微观形貌完整的碳化硅(Silicon carbide,SiC)陶瓷纤维.     

新型充Ar靶丸设计

从惯性约束聚变实验物理诊断需求出发,提出并分析了利用聚碳硅烷空心微球作为DT燃料容器实现扩散法充氩的可行性。初步实验研究表明,聚碳硅烷微球有望替代玻璃微球作为DT燃料容器用于内爆物理研究。     

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。     

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     

含乙烯基聚碳硅烷陶瓷先驱体的合成及其电子束辐射不熔化研究

通过接枝共聚合反应将环甲基乙烯基硅氮烷引入聚碳硅烷(PCS)陶瓷先驱体的分子链上,纺丝成型后用电子束辐照,然后在高温下热解转化成为性能优良的 SiC 陶瓷纤维。结果表明,乙烯基含量仅为 2.33%(质量百分比)时即能有效降低 PCS 的辐射不熔化剂量,并且所得SiC纤维的氧含量已从18.9%降低至3.3%,在1600℃的高温条件下处理 30 min 后纤维的微观形貌仍然保持良好。     

γ射线辐照改性聚碳硅烷提高热解陶瓷产率

在N2气中用γ射线对聚碳硅烷(Polycarbosilane,PCS)进行辐照,利用傅里叶红外光谱分析、凝胶渗透色谱分析和热重分析等手段研究了不同吸收剂量下PCS的化学结构、分子量和热分解特性。结果显示,经γ射线辐照处理后的PCS轻微失重,分子量和软化点随着吸收剂量的增加而增加,说明PCS经辐照后发生了分子间的交联反应。红外分析表明,PCS的交联主要是通过Si-H键和C-H键的断裂产生新的Si-C-Si结构实现的。热重分析表明,PCS热解为碳化硅的陶瓷产率随吸收剂量的增加显著升高,剂量达到1.5 MGy后PCS样品的陶瓷产率基本提高到稳定值,此时,陶瓷产率从改性前的61.9%提高到80.0%。     

载气压力对空心玻璃微球炉内成球过程的影响

为实现惯性约束聚变(ICF)靶用高品质空心玻璃微球(HGM)的干凝胶法制备,从数值模拟和工艺实验两个方面研究了载气压力对干凝胶粒子炉内成球过程及最终HGM品质的影响。结果表明,随着载气压力的降低,HGM的直径增大、壁厚变薄。降低载气压力虽有利于延长液态空心玻璃微球的精炼时间,但载气与液态空心玻璃微球之间的传热能力也显著降低。因此,HGM的精炼程度随着载气压力的降低而下降,当载气压力低于0.5×105Pa时,HGM的精炼程度不能满足ICF制靶的要求。     

3D-Cf/SiC复合材料的弯曲强度及热膨胀性能分析

采用料浆浸渗和CVI工艺制备了含有ZrB₂陶瓷颗粒的3D-C_f/SiC复合材料,对其进行弯曲强度和线热膨胀系数测试,通过扫描电镜观察复合材料的表面及断口形貌。结果表明,3D-C_f/SiC复合材料的弯曲强度为107.99 MPa,满足一般热防护材料的使用要求;其线热膨胀系数随温度变化的规律是由于碳纤维和SiC陶瓷基体之间线热膨胀系数的不匹配及热残余应力造成的。     

Influence of nitrogen ion implantation energies on surface chemical bonding structure and mechanical properties of nitrogen-implanted silicon carbide ceramics

Nitrogen ions were implanted into silicon carbide ceramics (N⁺-implanted SiC) at different ions energies. The surface chemical bonding structure of N⁺-implanted SiC ceramics were investigated by using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The hardness of N⁺-implanted SiC ceramics was measured using nano-indenter, and the friction and wear properties of the N⁺-implanted SiC/SiC tribopairs were studied using ball-on-disk type tribo-meter in water lubrication. The wear tracks were observed using non-contact surface profilometer and scanning electron microscope (SEM). The results showed that the surface roughness of N⁺-implanted SiC ceramic was higher than that of SiC ceramic, and some chemical bonds such as Si–N, C–C, CN and C–N bonds were formed in N⁺-implanted layer besides Si–C bonds. In comparison of SiC ceramic’s hardness, the hardness of N⁺-implanted SiC ceramics at 30 and 50 keV was higher while that at 65 keV was lower. Under water lubrication, the friction coefficient and the specific wear rates for the N⁺-implanted SiC/SiC tribopairs were all lower than those of the SiC/SiC tribopairs, and displayed the lowest values at 50 keV. According to XPS analysis, it was concluded that the high wear resistance and low friction coefficient for the N⁺-implanted SiC/SiC tribopairs were attributed to the formation of carbon rich composite on the surface of N⁺-implanted SiC ceramics.     

高温原位氟化熔盐红外吸收光谱装置研制

钍基熔盐堆是第四代核能系统的候选堆型之一,熔盐由于优异的传热性能与中子特性,被作为冷却剂和燃料盐载体在堆内运行,其微观结构对其物理化学性质有重大影响,因此,研究熔盐结构对熔盐制备净化、腐蚀控制以及熔盐堆的设计、建造和安全运行都有重要的指导作用。红外吸收光谱(Infrared Absorption Spectroscopy,IR)是研究熔盐结构的有力工具之一,但标准仪器无法实现高温(500oC)熔盐的测量。本研究在解决了样品加热、环境气氛控制以及腐蚀等难题后,研制了一套适用于高温氟化熔盐实验的高温原位红外吸收光谱装置。该装置中,加热炉为左右两开式,可以直接放进标准红外光谱仪样品仓内;样品池为组装式,主体是能够耐氟化熔盐腐蚀的镍基哈氏合金,窗片为单晶Si C或金刚石;样品池整体呈倒"T"型,上端密封盖带有进气口和出气口,可实现抽真空或通惰性气体的操作。该装置可以实现25-600oC温度范围测量,波段范围覆盖近红外和中红外(14 700-400 cm~(-1))。通过使用常温水和高温亚硝酸钠的红外光谱实验对该装置的可靠性进行了验证。利用该装置,我们成功地获得了高温氟锂铍(FLi Be)熔盐的红外吸收光谱。     

圆环形截面碳化硅纤维管的辐射化学法合成

为制备碳化硅(Silicon carbide,SiC)纤维管,本研究利用10MeV电子直线加速器产生的高能电子束在空气中辐照聚碳硅烷(Polycarbosilane,PCS)先驱丝。研究了辐照工艺、热处理温度、吸收剂量对制备SiC纤维管的影响,并运用红外光谱分析对SiC纤维管的辐射制备机理作了初步探讨。结果表明,合适的辐照工艺为每次定点辐照20s,停车冷却5min;最佳热处理温度为350℃;红外光谱分析表明,空气中的氧通过与PCS中的Si-H、Si-CH3反应而被引入到辐照产物中,形成了Si-OH和C=O结构;在经热处理的先驱丝中有Si-O-Si,Si-C-Si等桥联结构生成;吸收剂量介于2.0-3.5MGy之间的PCS先驱丝均能制得SiC纤维管,且管壁厚度随着吸收剂量的增加而逐渐增加。     

SiC encapsulation of (V)HTR components and waste by laser beam joining of ceramics

From the technological point of view as well as under the aspect of increasing safety requirements high-temperature resistant materials gain increasing importance in the nuclear sector. The non-oxide ceramics are characterized by their truly unusual properties. In this field high-tech ceramics such as silicon carbide (SiC) and silicon nitrite (Si₃N₄) play an outstanding role. However, their application used to be limited by the lack of a really suitable joining technology for high-temperature applications.At the Dresden University of Technology (TUD) an innovative laser beam joining technology for these ceramics has been developed in a joint project over the last few years. This technology makes it possible to join SiC as well as Si₃N₄ ceramics with high-temperature resistant, vacuum-tight seams that are resistant to most chemical substances. As no protective atmosphere is needed and the joining process takes less than a minute, the complete joining process can be configured very efficiently also in economic terms.For demonstration of the new possibilities SiCeram GmbH has developed several ceramic components which are tailored to V(HTR) requirements in material and geometries. Examples will be demonstrated.The overall ceramic encapsulation of fuel particles provides an additional thick barrier against the release of fission products, increasing the margins for operation at very high temperatures. Simultaneously ceramic encapsulation of the main core components facilitates the approach to the non-catastrophic behaviour of (V)HTR. Additional future research and the qualification of SiC encapsulated pebbles or compacts may result in important benefits also for waste management and final storage.     

基于单一气源的PECVD方法制备SiC薄膜及其微观结构研究

为制备出满足惯性约束聚变（ICF）实验要求的SiC薄膜,本文采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）法,以四甲基硅（TMS）作为唯一反应气源,在不同工作压强下制备SiC薄膜。利用扫描电子显微镜、表面轮廓仪、原子力显微镜、精密电子天平、X射线光电子能谱、傅里叶变换红外光谱对薄膜进行表征与分析。结果表明：SiC薄膜的成分与工作压强密切相关,随着工作压强的增加,薄膜中Si含量整体呈下降趋势;随着工作压强的增加,薄膜沉积速率先增大后减少,密度先减小后增大;与其他制备工艺相比,采用单一气源制备SiC薄膜,其表面粗糙度极低（1.25～1.85 nm）,薄膜粗糙度随工作压强的增加呈先增大后减小的趋势。