[发明专利]一种锆合金表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法

说明书

一种锆合金表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法是采用微波等离子体化学气相沉积法在锆合金表面原位生长石墨烯保护层，然后将锆合金/石墨烯样品置于原子层沉积设备的反应腔，进行碳化硅的沉积。由于原子层钝化颗粒碳化硅对悬键特别敏感，会优先沉积在石墨烯的缺陷位置，在石墨烯的孔洞、晶界处形成分散的团簇，而不是连续的薄膜，将石墨烯的缺陷进行钝化，从而实现石墨烯对锆合金的完全保护。本方法简单成本低，获得的薄膜保护性能优良，在核用锆合金的防腐领域具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明涉及一种锆合金表面防腐涂层的处理方法，具体地是采用微波等离子体化学气相沉积法在锆合金表面原位生长石墨烯保护层，然后将锆合金/石墨烯样品放入原子层沉积设备的反应腔，进行碳化硅沉积的一种锆合金表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法。

背景技术

核动力的先进性、安全可靠性和经济性与包壳材料性能密切相关。现有锆合金的腐蚀在核反应堆中依然面临着严峻的考验，不容忽视，因此提高锆合金的耐腐蚀性能势在必行。由于锆合金的腐蚀都是从表面开始产生的，对锆合金进行表面改性处理是有效提高其耐腐蚀性能的重要方法。锆合金表面改性的方法有多种，例如阳极氧化、高压釜预生膜、等离子体电解氧化、电弧蒸发、喷涂、溶胶凝胶沉积、空气高频氧化、离子注入等技术。但是，通过目前的表面处理技术制备的保护膜都有一定的厚度，改变了锆合金的尺寸，而且厚的保护膜会降低锆合金的导热性。因此，克服这些问题的重要途径就是发展一种导热性好的超薄保护层使锆合金的尺寸及性能改变达到最小化。

石墨烯是一种二维单原子层碳材料，由于具有许多特殊的性能，在学术界引起了空前的研究热潮。近期研究人员发现石墨烯可以作为金属的超薄保护涂层，保护金属材料不被腐蚀。这为核燃料元件包壳锆合金表面保护层的研究提供了新思路。因此，本发明提出用石墨烯作为锆合金表面保护层，在保证锆合金导热性以及形状、尺寸不受影响的同时，将锆合金和冷却介质有效隔离，提高锆合金的耐腐蚀性能。然而，石墨烯对金属的保护程度和它的晶体结构、层数、缺陷密切相关。高质量、无缺陷的单晶石墨烯能使其对金属的保护性能最大化。但是，通过现有方法很难获得大面积、零缺陷的单晶石墨烯薄膜，石墨烯内部纳米孔、晶界等缺陷的存在严重限制了它对锆合金耐腐蚀性能的改善。因此，如何对石墨烯的缺陷进行钝化处理，实现锆合金表面与冷却水的完全隔离，成为一个亟待解决的问题。

发明内容

为了解决锆合金包壳耐水侧腐蚀性能差，燃料包壳使用寿命短的问题，本发明提供一种锆合金表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法。

本发明解决上述问题所采取的技术方案如下。

一种锆合金表面石墨烯钝化处理防腐涂层的方法，所述方法是按下列步骤进行的：

（1）将锆合金先在丙酮中清洗，在硝酸和氢氟酸混合液中浸泡后，再在无水乙醇中超声振荡2次，每次30min，去除表面杂质和油污，然后在氮气环境下烘干；

（2）将锆合金置于微波等离子体化学气相沉积设备的反应腔内，将腔体抽真空至1Pa以下，通入50sccm～200sccm的氢气，调节微波功率至1000W～6000W，腔体气压保持在2kPa～9kPa，由氢等离子体轰击锆合金10min～180min，将基片加热并进一步清除表面的杂质；

（3）通入甲烷并调节气体比例开始生长石墨烯薄膜，沉积时间是10～120s，沉积温度是300～600℃，气体流量甲烷/氢气是1/60、1/80、1/100、1/200或是1/300，腔体气压是2.7～7.4kPa ，微波功率是1300～6000 W；

（4）沉积完成后，关闭甲烷气体和微波电源，继续通入氢气使腔体以2～3℃/s速率冷却至100℃以下，取出样品；

（5）将获得的样品置于原子层沉积设备的反应腔，进行碳化硅钝化颗粒的沉积，将金属表面石墨烯的缺陷进行钝化处理；

所述碳化硅钝化颗粒的沉积是按下列步骤进行的：