CN101559926B - 一种氢化锆的表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氢化锆的制备方法，其步骤如下：(1)将氢化锆用丙酮超声清洗15～20分钟，烘干；(2)将步骤(1)所得氢化锆装入不锈钢坩埚，然后放入真空管式电阻炉里，抽真空，再往坩埚里通入二氧化碳气体，以1～5℃/分钟的速度从室温升到350～600℃，并在此温度范围内保温30～60小时；(3)冷却至室温，在氢化锆表面形成具有一定防氢渗透作用的氧化锆膜层。该氢化锆置于氧化性气体与惰性气体的混合气氛中加热，从室温加热到500～900℃使用能有效阻止氢化锆在高温条件下的氢析出现象。

Description

一种氢化锆的表面处理方法
技术领域
本发明涉及一种氢化锆的制备方法，属于材料保护的技术领域。
技术背景
氢化锆由于具有较高的热稳定性、较高的氢密度、低的中子捕获截面和良好的导热性能，而成为空间堆理想的固体中子慢化材料。但在氢化锆工作温度范围内，氢会从氢化锆中不断析出而降低其中子慢化效率。因此，控制氢化锆在高温条件下的氢损失是氢化锆慢化剂应用于空间堆急需解决的重要问题。
在不影响基体材料的使用性能的前提下，通过表面处理技术在氢化锆表面制备一薄层氢扩散系数低、表面复合常数低的陶瓷涂层，可以有效阻止基体氢化锆中氢的析出。
目前，多采用原位氧化的方法在氢化锆表面获得氧化物膜层来阻止氢化锆中氢的析出。此外，采用电镀的方法在氢化锆表面制备镀铬层也可以起到抑制氢化锆中氢析出的作用。
各种方法制备出的阻氢膜层均有一定的阻氢作用，但阻氢效果并不理想，主要是由于膜层的热循环性能低，膜层容易开裂和剥落，从而失去对基体的保护作用。此外，由于氢化锆脆性很大，基体本身存在很多微裂纹等缺陷，这给在氢化锆表面制备均匀、致密的阻氢膜层带来很大困难。所以，单单依靠在氢化锆表面制备阻氢膜层的方法还难以解决氢化锆在高温条件下的失氢问题，也就难以达到氢化锆慢化材料的使用要求。
发明内容
本发明的目的之一是提供一种氢化锆的制备方法，该氢化锆在高温条件下不会析出氢。
本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
一种氢化锆的表面处理方法，其步骤如下：
(1)、将氢化锆用丙酮超声清洗15～20分钟，烘干；
(2)、将步骤(1)所得氢化锆装入不锈钢坩埚，然后放入真空管式电阻炉里，抽真空，再往坩埚里通入二氧化碳气体，以1～5℃/分钟的速度从室温升到350～600℃，并在此温度范围内保温30～60小时；
(3)、冷却至室温，在氢化锆表面形成具有一定防氢渗透作用的氧化锆膜层。
本发明的另一目的是提供一种防止氢化锆在高温条件下氢析出的方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案达到的：
一种防止氢化锆在高温条件下氢析出的方法，其步骤如下：
(1)、将氢化锆用丙酮超声清洗15～20分钟，烘干；
(2)、将步骤(1)所得氢化锆装入不锈钢坩埚，然后放入真空管式电阻炉里，抽真空，再往坩埚里通入二氧化碳气体，以1～5℃/分钟的速度从室温升到350～600℃，并在此温度范围内保温30～60小时；
(3)、冷却至室温，在氢化锆表面形成具有一定防氢渗透作用的氧化锆膜层；
(4)、将上述氧化后的氢化锆置于氧化性气体与惰性气体的混合气氛中加热，从室温加热到500～900℃使用。
一种优选技术方案，其特征在于：所述步骤(4)中所述氧化性气体是氧气、二氧化碳或水蒸气；所述惰性气体是氦气、氩气或氮气，并且所述氧化性气体在气氛中所占的体积百分比为5～100％，其余为惰性气体。
本发明通过四极质谱仪监测加热过程中氢分压的变化，通过氢分压的变化可以反映氢化锆的脱氢行为，并以此来评价本发明阻止氢析出的能力。
本发明通过原位氧化的方法在氢化锆表面预先制得具有一定阻氢作用的氧化膜，并将氧化后的氢化锆置于一定组成的氧化气氛中使用。实验证明，此方法能很好地解决氢化锆在高温条件下的失氢问题。
本发明方法具有的优点和有益效果：(1)利用本发明可以有效阻止氢化锆在500℃以上温度使用时的氢析出行为；(2)本发明不受氢化锆在工作中的热冲击限制；(3)本发明方法操作简单，生产成本低，且不受氢化锆器件形状和尺寸的限制。
下面通过附图和具体实施方式对本发明作详细说明，但是对本发明的范围不构成任何限制。
附图说明
图1是本发明实施例1中用四极质谱仪监测加热过程中氢分压变化所得的曲线。
图2是本发明实施例2中用四极质谱仪监测加热过程中氢分压变化所得的曲线。
图3是本发明实施例3中用四极质谱仪监测加热过程中氢分压变化所得的曲线。
图4是本发明对比实施例1中用四极质谱仪监测加热过程中氢分压变化所得的曲线。
具体实施方式
实施例1
将氢锆原子比约为1.8的氢化锆切割成Φ20mm×10mm圆柱形试样。试样经丙酮超声清洗15分钟后烘干。
将预处理后的氢化锆样品放入真空管式电阻炉中进行高温热氧化处理，使氢化锆表面生成氧化锆阻氢膜层。具体步骤如下：将氢化锆样品装入不锈钢坩埚，然后放入真空管式电阻炉里，启动机械泵，抽真空，将坩埚中的空气抽取干净，然后往坩埚里通入CO2 至0.1MPa，开始加热。加热过程中的升温速度为1℃/分钟，当温度达到350℃时，保温60小时，然后切断电源，随炉冷却，生成 氧化锆阻氢膜层。
将氧化后的氢化锆样品置于氧气与氦气的混合气体中加热，其中氧气所占的体积百分比为5％，加热温度从室温加热到500℃，保温1个小时。通过四极质谱仪监测加热过程中氢分压变化，结果如图1所示。
实施例2
将氢锆原子比约为1.8的氢化锆切割成Φ20mm×10mm圆柱形试样。试样经丙酮超声清洗20分钟后，烘干。
将预处理后的氢化锆样品放入真空管式电阻炉中进行高温热氧化处理，使氢化锆表面生成氧化锆阻氢膜层。具体步骤如下：将氢化锆样品装入不锈钢坩埚，然后放入真空管式电阻炉里，启动机械泵，抽真空，将坩埚中的空气抽取干净，然后往坩埚里通入CO2至0.1MPa，开始加热。加热过程中的升温速度为5℃/分钟，当温度达到600℃时，保温30小时，然后切断电源，随炉冷却，生成氧化锆阻氢膜层。
将氧化后的氢化锆样品置于纯氧气中加热，即氧气所占的体积百分比为100％，加热温度从室温加热到900℃，保温1个小时。通过四极质谱仪监测加热过程中氢分压变化，结果如图2所示。
实施例3
将氢锆原子比约为1.8的氢化锆切割成Φ20mm×10mm圆柱形试样。试样经丙酮超声清洗20分钟后，烘干。
将预处理后的氢化锆样品放入真空管式电阻炉中进行高温热氧化处理，使氢化锆表面生成氧化锆阻氢膜层。具体步骤如下：将氢化锆样品装入不锈钢坩埚，然后放入真空管式电阻炉里，启动机械泵，抽真空，将坩埚中的空气抽取干净，然后往坩埚里通入CO2至0.1MPa，开始加热。加热过程中的升温速度为2℃/分钟，当温度达到500℃时，保温40小时，然后切断电源，随炉冷却，生成氧化锆阻氢膜层。
将氧化后的氢化锆样品置于二氧化碳气体与氩气的混合气体 中加热，其中二氧化碳气体所占的体积百分比为50％，加热温度从室温加热到800℃，保温1个小时。通过四极质谱仪监测加热过程中氢分压变化，结果如图3所示。
对比实施例1
将氢锆原子比约为1.8的氢化锆切割成Φ20mm×10mm圆柱形试样。试样经丙酮超声清洗20分钟后，烘干，然后将预处理后的氢化锆样品直接置于氦气中进行脱氢试验，以与本发明中的实施例进行对比。脱氢实验中加热温度为室温至900℃，加热速度为10℃/分钟。
图4为对比实施例中氢化锆在加热过程中氢分压的变化，与各实施例(图1-3)对比可以看出，未作处理的氢化锆在氦气条件下，当温度升高至500℃后，就有比较明显的氢析出现象。而本发明所述的三个实施例在600℃至900℃的温度范围内，其加热和随后的保温过程中均没有检测到氢的析出现象，证实了本发明可以有效阻止氢化锆在高温条件下氢析出行为。

Claims (3)

1.一种氢化锆的表面处理方法，其步骤如下：
(1)、将氢化锆用丙酮超声清洗15～20分钟，烘干；
(2)、将步骤(1)所得氢化锆装入不锈钢坩埚，然后放入真空管式电阻炉里，抽真空，再往坩埚里通入二氧化碳气体，以1～5℃/分钟的速度从室温升到350～600℃，并在此温度范围内保温30～60小时；
(3)、冷却至室温，在氢化锆表面形成具有一定防氢渗透作用的氧化锆膜层。
2.一种防止氢化锆在高温条件下氢析出的方法，其步骤如下：
(1)、将氢化锆用丙酮超声清洗15～20分钟，烘干；
(2)、将步骤(1)所得氢化锆装入不锈钢坩埚，然后放入真空管式电阻炉里，抽真空，再往坩埚里通入二氧化碳气体，以1～5℃/分钟的速度从室温升到350～600℃，并在此温度范围内保温30～60小时；
(3)、冷却至室温，在氢化锆表面形成具有一定防氢渗透作用的氧化锆膜层；
(4)、将上述氧化后的氢化锆置于氧化性气体与惰性气体的混合气氛中加热，从室温加热到500～900℃使用。
3.按照权利要求2所述的防止氢化锆在高温条件下氢析出的方法，其特征在于：所述步骤(4)中所述氧化性气体是氧气、二氧化碳或水蒸气；所述惰性气体是氦气、氩气或氮气，并且所述氧化性气体在气氛中所占的体积百分比为5～100％，其余为惰性气体。
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