梁威：2018年清華大學優秀博士學位論文二等獎獲得者

金屬鈰表面氮化物薄膜制備及其抗腐蝕性能研究

Study on the Preparation and Nticorrosion Properties of Nitride Films on Cerium Surface

研究背景/選題意義/研究價值

鈾是一種十分重要的戰略核能源材料，廣泛應用于民用核能和國防領域。由于其具有特殊的價電子結構，化學性質十分活潑，服役若干年后庫存部件出現老化腐蝕等問題，腐蝕到一定程度會造成產品報廢并危及人員安全，因此解決其老化腐蝕問題是當前庫存武器面臨的重要課題之一。

由于鈾和钚具有高放射性、極強的化學毒性和化學活潑性，而金屬鈰具有與其相近似的電子層結構，化學性質比钚還要活潑，且無放射性，因此本文利用金屬鈰模擬研究鈾、钚的腐蝕行為和防腐蝕方法，從而為錒系元素材料腐蝕防護提供了借鑒和參考，為解決庫存武器老化腐蝕問題提供了技術支撐，具有重要的研究價值和軍事意義。

主要研究內容

1. 利用雙離子束濺射沉積系統通過反應濺射和氮化處理在Ce表面制備形成了CeN薄膜。研究發現CeN薄膜本身不穩定，故單純進行表面氮化并不能有效提升Ce的耐腐蝕性能。因此在氮化處理后的樣品表面再進一步沉積惰性氮化鈦（TiN）陶瓷層，即在Ce表面制備形成了CeN/TiN雙層復合膜，研究表明這種復合膜可以有效提高Ce的抗腐蝕性能，但是長期貯存鍍層容易起泡脫落而失效。

2. 在Ce表面先沉積制備Ti作為過渡層，再沉積TiN惰性層，形成Ti/TiN雙層復合膜，并調控獲得了不同厚度比例的Ti/TiN雙層復合膜。研究表明，在Ce和TiN之間引入Ti作為過渡層，可以大幅提升了樣品的抗腐蝕等性能；在膜層總厚度為400nm時，調控獲得的200nmTi/200nmTiN復合膜抗腐蝕等性能最優。

極化曲線

動電位極化曲線測試分析表明，氮化鈰/氮化鈦雙層復合膜抗腐蝕性能相對于金屬鈰、氮化鈦單層膜等有較大幅度提高。

Nyquist圖

阻抗譜測試分析表明，調控獲得的200nmTi/200nmTiN雙層復合膜抗腐蝕等性能最優。

主要創新點

1. 單純在鈰表面進行反應濺射和氮化處理形成的CeN薄膜并不能有效提高鈰的抗腐蝕性能，進一步制備CeN/TiN雙層復合膜可大幅提升金屬鈰的抗腐蝕性能，但是長期貯存容易起泡脫落而失效；

2. 進一步設計提出了以Ti為過渡層的Ti/TiN雙層復合膜，Ti增加了TiN和Ce之間的相容性和匹配性，大幅提高金屬鈰的抗腐蝕等性能，其中200nmTi/200nmTiN雙層復合膜抗腐蝕性能最優；

3. 利用氦離子輻照在Ti/TiN雙層復合膜及金屬鈰基體內引入定量的氦雜質，其晶體結構等未見明顯變化、膜基結合力有一定提高，抗腐蝕性能有一定降低，但是影響不明顯。

代表性學術發表

1. Corrosion resistance and mechanism of CeN, TiN and CeN/TiN bilayer composite film deposited by dual ion beam sputtering. Surface & Coatings Technology, 2017, 335. （SCI, IF=2.589）

2. Improved irradiation tolerance of reactive gas pulse sputtered TiN coatings with a hybrid architecture of multilayered and compositionally graded structures. Journal of Nuclear Materials, 2017, 501. （SCI, IF=2.048）

3. Amorphization of cerium mononitride during oxidization characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy, x-ray diffraction and x-ray photoelectron spectroscopy. Surface Review and Letters 2018:1850180. （SCI, IF=0.491）

4. Mechanical properties and structure evolution of single-crystalline silicon irradiated by 1 MeV Au+ and Cu+ ions. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B, 2018, 423:75-81. （SCI, IF=1.389）