CN115449764B - 一种锕系合金梯度膜及其制备方法 - Google Patents

一种锕系合金梯度膜及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115449764B
CN115449764B CN202211112488.8A CN202211112488A CN115449764B CN 115449764 B CN115449764 B CN 115449764B CN 202211112488 A CN202211112488 A CN 202211112488A CN 115449764 B CN115449764 B CN 115449764B
Authority
CN
China
Prior art keywords
target
actinide
film
metal
sputtering
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202211112488.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN115449764A (zh
Inventor
张培
张厚亮
胡梅娟
王鑫
张雷
蔡定洲
法涛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Materials of CAEP
Original Assignee
Institute of Materials of CAEP
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Materials of CAEP filed Critical Institute of Materials of CAEP
Priority to CN202211112488.8A priority Critical patent/CN115449764B/zh
Publication of CN115449764A publication Critical patent/CN115449764A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN115449764B publication Critical patent/CN115449764B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C23C14/352—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering using more than one target
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/30—Nuclear fission reactors

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明涉及锕系合金技术领域，提供了一种锕系合金梯度膜及其制备方法。本发明在基底上进行多靶磁控溅射，得到梯度膜，梯度膜所含金属的元素种类为3种及以上，且其中一种为锕系金属，其余为非锕系金属。本发明首次采用多靶材同时磁控溅射制备锕系合金多元(≥三元)梯度膜，使锕系元素在膜不同区域中的相对含量随着基底与锕系金属或合金靶距离的变化而变化，因此，从距离所述纯锕系金属靶材或锕系合金靶材最远一侧的膜边缘到距离所述纯锕系金属靶材或锕系合金靶材最近一侧的膜边缘，膜中的锕系元素含量逐渐增加，呈梯度分布。本发明可在梯度膜中获得高锕系元素含量的单相合金成分，从而高效筛选出高耐腐蚀性能的合金成分。

Description

一种锕系合金梯度膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及锕系合金技术领域，尤其涉及一种锕系合金梯度膜及其制备方法。
背景技术
金属铀及铀合金由于具有优良的核性能、高密度、低中子截面等物理特性，在核反应堆、核电站、辐射屏蔽材料等领域中得到广泛应用。但不同于其他金属元素，铀元素属于锕系金属元素，本身具有放射性和化学毒性，导致其研究难度较大，需要做好相应的防护措施。同时，铀原子结构中的5f36d17s2价电子结构和极低的标准电极电位(-1.80V) 决定了它是一种化学性质极为活泼的金属。在一定条件下，铀能与除惰性气体外的所有化学元素反应，环境中的氧气和水汽对铀的氧化腐蚀尤为严重，在很短时间内就会使其失去金属光泽。铀表面的颜色随氧化膜的增厚而逐渐发生变化，最终导致膜开裂和掉粉。一般只需要几天的时间就会完成上述整个氧化过程。因此，添加耐蚀合金以提高铀合金的耐腐蚀性，并研究多元新型高耐蚀铀合金材料显得尤为重要。
现有技术在对铀合金进行抗腐蚀性能的研究时，通常需要不同合金种类以及含量的铀合金样品。但上述铀合金样品的制备方法通常是在冶炼过程中，将具有耐蚀性的合金化元素加入到铀中一起熔化，使之形成铀合金。在需要对样品中合金含量进行调整时，往往需要多次重复冶炼融化的步骤，制备方法较为复杂、繁琐，无法满足快速调整合金元素种类以及含量并制备测试样品的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种锕系合金梯度膜及其制备方法。本发明提供的制备方法操作简单，可以快速制备出具有不同锕系金属含量的产品。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种锕系合金梯度膜的制备方法，在基底上进行多靶磁控溅射，得到所述锕系合金梯度膜；进行所述多靶磁控溅射时，所述基底不进行自转；所述多靶磁控溅射用靶材为两种以上，其中至少有一种靶材为包括锕系金属的靶材；以多靶磁控溅射所用靶材所含金属元素的总种类数计，所述金属元素的种类为3种以上，且其中一种为锕系金属，其余为非锕系金属；
从距离所述包括锕系金属的靶材最远一侧的膜边缘到距离所述包括锕系金属的靶材最近一侧的膜边缘，所述锕系金属在膜中的质量百分含量由低到高呈梯度分布。
优选的，所述多靶磁控溅射所用靶材包括：
一种靶材A与两种或以上靶材C的组合；
或：一种靶材A与至少一种靶材D的组合；
或：一种靶材A、至少一种靶材C与至少一种靶材D的组合，且靶材 C和靶材D一共至少包括两种不同种类的非锕系金属；
或：一种靶材B与至少一种靶材C的组合，且靶材B和靶材C一共至少包括两种不同种类的非锕系金属；
或：一种靶材B与至少一种靶材D的组合，且靶材B和靶材D一共至少包括两种不同种类的非锕系金属；
或：一种靶材B、至少一种靶材C与至少一种靶材D的组合，且靶材B、靶材C和靶材D一共至少包括两种不同种类的非锕系金属；
其中，所述靶材A为纯锕系金属靶材；所述靶材B为锕系金属-非锕系金属合金靶材，由一种锕系金属以及一种及以上非锕系金属组成；所述靶材 C为纯非锕系金属靶材；所述靶材D为非锕系合金靶材，由两种及以上非锕系金属组成。
优选的，所述锕系金属包括U、Th或Pu，所述非锕系金属包括Nb、 Zr、Mo、Ti、Hf、Re、V、Fe、Ni、Cr或Al。
优选的，所述靶材A和所述靶材C的靶基距独立地为25～60mm，磁控溅射时的电源功率独立地为40～90W；所述靶材B的靶基距为25～60mm，磁控溅射时的电源功率为40～90W；所述靶材D的靶基距为25～60mm，磁控溅射时的电源功率为40～90W；所述多靶磁控溅射的时间为10～120min。
优选的，所述多靶磁控溅射前还包括对所述靶材进行加热和预溅射，所述加热的温度为100～200℃，时间为5～20min。
优选的，所述预溅射用靶材为靶材A或靶材B，当所述预溅射的靶材为靶材A时，所述预溅射的电源功率为40～80W，时间为1～5min；当所述预溅射的靶材为靶材B时，所述预溅射的电源功率为40～60W，时间为 1～3min。
优选的，所述多靶磁控溅射时的真空度为3.0×10-1～3Pa，所述多靶磁控溅射的工作气体为氩气，所述氩气的流速为15～30sccm。
优选的，所述基底的溅射面为连续区域或包括若干个不相连的区域，当所述基底的溅射面为连续区域时，所述梯度膜为连续梯度膜；当所述基底的溅射面包括多个不相连的区域时，所述梯度膜为分立梯度膜。
优选的，还包括采用抗辐照的排风系统将所述预溅射或所述磁控溅射产生的放射性锕系金属气溶胶进行排放和处理。
本发明还提供了上述方案所述制备方法制备得到的梯度膜，所述梯度膜的组成包括一种锕系金属和至少两种非锕系金属；从距离所述包括锕系金属的靶材最远一侧的膜边缘到距离所述包括锕系金属的靶材最近一侧的膜边缘，所述锕系金属在膜中的质量百分含量由低到高呈梯度分布。
本发明提供了一种锕系合金梯度膜的制备方法，在基底上进行多靶磁控溅射，得到所述锕系合金梯度膜；进行所述多靶磁控溅射时，所述基底不进行自转；所述多靶磁控溅射用靶材为两种以上，其中至少有一种靶材为包括锕系金属的靶材；以多靶磁控溅射所用靶材所含金属元素的总种类数计，所述金属元素的种类为3种以上，且其中一种为锕系金属，其余为非锕系金属；从距离所述包括锕系金属的靶材最远一侧的膜边缘到距离所述包括锕系金属的靶材最近一侧的膜边缘，所述锕系金属在膜中的质量百分含量由低到高呈梯度分布。本发明首次采用磁控溅射技术制备锕系合金梯度膜。本发明通过采用多靶材同时溅射，使锕系元素在膜不同区域中的相对含量随着靶材距离基底不同区域距离的变化而变化，因此，从膜中心到最靠近纯锕系金属靶材或锕系合金靶材一侧的边缘，膜中的锕系元素的含量呈现出梯度分布。由于该方法省略了制备不同含量锕系合金时的重复熔炼的过程，因此可以快速调整合金元素种类以及含量并制备测试样品，缩短了样品的制备时间。并且，本发明由于采用磁控溅射方法，制备得到的梯度膜中包含高锕系金属含量且具有单相结构的成分区间，而单相结构可避免两相间的电偶腐蚀，因此能进一步提高测试结果的准确性。
进一步的，本发明提供的方法还可以制备分立梯度膜，制备得到的分立梯度膜可以直接进行抗腐蚀性能实验，以提高对于抗腐蚀组分以及结构的精确筛选。
本发明还提供了上述制备方法制备得到的梯度膜，梯度膜的组成包括一种锕系金属和至少两种非锕系金属；从距离所述包括锕系金属的靶材最远一侧的膜边缘到距离所述包括锕系金属的靶材最近一侧的膜边缘，所述锕系金属在膜中的质量百分含量由低到高呈梯度分布。本发明的实施例表明，本发明制备得到的梯度膜中距离所述纯锕系金属靶材或锕系合金靶材最远一侧的膜边缘的锕系金属含量为50～65％，膜中心的锕系金属含量为70～76％，距离纯锕系金属靶材或锕系合金靶材最近的一侧的膜边缘的锕系金属含量为90～96％，上述梯度分布的范围为抗腐蚀性能实验样品的组分含量提供了较大的筛选范围。
附图说明
图1为实施例1制备得到的三元锕系合金连续梯度膜外观图；
图2实施例1制备得到的梯度膜中心区域的EDS探测器选区图；
图3为图2方框区域内的膜成分含量分析结果图；
图4为实施例2的掩膜外观图；
图5为实施例2制备得到的三元锕系合金分立梯度薄膜外观与成分分布模拟图；
图6为实施例3所用不锈钢承载槽板以及放置不锈钢基片后的外观图。
具体实施方式
本发明提供了一种锕系合金梯度膜的制备方法，在基底上进行多靶磁控溅射，得到所述锕系合金梯度膜；进行所述多靶磁控溅射时，所述基底不进行自转；所述多靶磁控溅射用靶材为两种以上，其中至少有一种靶材为包括锕系金属的靶材；以多靶磁控溅射所用靶材所含金属元素的总种类数计，所述金属元素的种类为3种以上，且其中一种为锕系金属，其余为非锕系金属；从距离所述包括锕系金属的靶材最远一侧的膜边缘到距离所述包括锕系金属的靶材最近一侧的膜边缘，所述锕系金属在膜中的质量百分含量由低到高呈梯度分布。
在本发明中，所述多靶磁控溅射所用靶材的组合优选包括：
一种靶材A与两种或以上靶材C的组合；或：一种靶材A与至少一种靶材D的组合；或：一种靶材A、至少一种靶材C与至少一种靶材D的组合，且靶材C和靶材D一共至少包括两种不同种类的非锕系金属；或：一种靶材B与至少一种靶材C的组合，且靶材B和靶材C一共至少包括两种不同种类的非锕系金属；或：一种靶材B与至少一种靶材D的组合，且靶材B和靶材D一共至少包括两种不同种类的非锕系金属；或：一种靶材B、至少一种靶材C与至少一种靶材D的组合，且靶材B、靶材C和靶材D一共至少包括两种不同种类的非锕系金属；其中，所述靶材A优选为纯锕系金属靶材；所述靶材B优选为锕系金属-非锕系金属合金靶材，由一种锕系金属以及一种及以上非锕系金属组成；所述靶材C优选为纯非锕系金属靶材；所述靶材D优选为非锕系合金靶材，由两种及以上非锕系金属组成的非锕系合金靶材。
在本发明中，所述锕系金属优选包括U、Th或Pu，更优选为U或Th，进一步优选为U；所述非锕系金属优选包括Nb、Zr、Mo、Ti、Hf、Re、V、 Fe、Ni、Cr或Al，更优选为Nb、Zr、Mo、Ti、Hf、Re、V、Ni、Cr或Al，进一步优选为Nb、Zr、Hf或Re，最优选为Nb或Zr。在本发明的具体实施例中，所述多靶磁控溅射所用靶材的组合优选为一种靶材A与两种靶材C 的组合；所述靶材A优选为U靶材，所述靶材C优选为Nb靶材或Zr靶材。
在本发明中，所述多靶磁控溅射前优选还包括对所述靶材进行加热和预溅射。在本发明中，所述多靶磁控溅射前优选还包括采用抗辐照的排风系统将放射性锕系金属气溶胶进行排放和处理，所述抗辐射的排风系统优选在所述加热和预溅射前开启。本发明优选采用卤素灯对所述靶材进行加热。在本发明中，所述加热的温度优选为100～200℃，更优选为120～170℃，进一步优选为150℃，所述加热的时间优选为5～20min，更优选为7～13min，进一步优选为10min。本发明优选在磁控溅射前对基底进行加热以使靶材表面的氧气和水汽蒸发，并通过抗辐照的排风系统排出，从而防止氧气和水汽对梯度膜造成腐蚀。
在本发明中，所述预溅射采用的靶材优选为靶材A或靶材B；当所述预溅射的靶材为靶材A时，所述预溅射的电源功率优选为40～80W，更优选为40～55W，进一步优选为45W，所述预溅射的时间优选为1～5min，更优选为1～3min，进一步优选为3min。当所述预溅射的靶材为靶材B时，所述预溅射的电源功率优选为40～60W，更优选为40～50W，进一步优选为50W，所述预溅射的时间优选为1～5min，更优选为1～4min，进一步优选为4min。本发明优选通过采用含锕系金属的靶材进行预溅射以去除靶材表面的杂质，减少梯度膜中的杂质含量。
在本发明中，所述磁控溅射时的电源优选为离子束直流电源，所述靶材 A和所述靶材C的靶基距独立地优选为25～60mm，磁控溅射时的电源功率独立地优选为45～90W；所述靶材A的靶基距更优选为30～60mm，进一优选为45～55mm，最优选为50mm，磁控溅射时的电源功率更优选为45～70W，进一步优选为55～70W，最优选为65～70W。在本发明中，所述靶材C的靶基距更优选为25～60mm，进一步优选为50～60mm，最优选为60mm，磁控溅射时的电源功率优选更为50～90W，进一步优选为55～90W，最优选为 70～90W。在本发明中，所述靶材B的靶基距优选为25～60mm，磁控溅射时的电源功率优选为40～70W；所述靶材D的靶基距优选为25～60mm，磁控溅射时的电源功率优选为40～70W；在本发明中，所述靶材B和靶材D的靶基距和所述磁控溅射时的电源功率优选根据靶材的熔点进行确定。
在本发明中，所述靶基距为所述靶材表面几何中心到所述基底表面所处平面的直线距离，所述靶材表面几何中心线与所述基底表面所在平面所成的较小角度优选为45～65°，更优选为55～60°，进一步优选为60°；所述靶材表面几何中心线与所述基底表面所在平面的交点和所述基底表面几何中心的直线距离优选为15～25mm，更优选为17～23mm，进一步优选为20mm。本发明中，两个任意相邻所述靶材各自表面几何中心线与其在所述基底表面所在平面上的投影所形成的截面之间的角度优选为360°与所述靶材数量的比值。在本发明中，所述靶材的组合优选为U靶材、Nb靶材和Zr靶材三种靶材的组合，所述靶材的直径优选为50.5mm，所述靶材的厚度优选为5mm。
在本发明中，所述多靶磁控溅射的时间优选为10～120min，更优选为 20～60min，进一步优选为30～50min。
在本发明中，进行所述多靶磁控溅射时，所述基底不进行自转。在本发明中，所述基底优选为单晶硅片或不锈钢基片。在本发明中，所述基底的溅射面为连续区域或包括若干个不相连的区域，当所述基底的溅射面为连续区域时，所述梯度膜为连续梯度膜；当所述基底的溅射面包括多个不相连的区域时，所述梯度膜为分立梯度膜。在本发明中，当制备分立梯度膜时，优选在基底上覆盖掩膜，使基底分隔为多个不相连的溅射区域，或采用多个的不相连的基底制备所述分立梯度膜，在本发明的具体实施例中，当所述基底为单晶硅片时，优选采用覆盖掩膜的方法，当基底为不锈钢基片时，优选采用多个的不相连的基底，具体为在不锈钢承载槽板上放置若干个不相连的不锈钢基片；所述掩膜的设置方法以及不锈钢基片的数量根据目标分立梯度膜中分立膜的个数设置即可。在本发明中，所述单晶硅片的直径优选为2英寸，所述不锈钢承载槽板的尺寸优选为50mm*50mm，所述不锈钢基片的尺寸优选为12mm*12mm，所述所述不锈钢基片的数量优选为9个。
在本发明中，所述多靶磁控溅射时的真空度优选为3.0×10-1～3Pa，更优选为5.0×10-1～2Pa；所述多靶磁控溅射的工作气体优选为氩气，所述氩气的流速优选为15～30sccm，更优选为18～27sccm，进一步优选为20～25sccm。
在本发明中，还优选包括采用抗辐照的排风系统将所述预溅射或所述磁控溅射产生的放射性锕系金属气溶胶进行排放和处理。在本发明中，所述抗辐照的排风系统与抗辐照管道相连，且抗辐照管道24小时常年负压，用于排放放射性材料。
本发明还提供上述技术方案所述制备方法制备得到的梯度膜，所述梯度膜的组成包括一种锕系金属和至少两种非锕系金属。在本发明的具体实施例中，所述梯度膜的组成包括U、Nb和Zr三种金属。在本发明中，从距离所述包括锕系金属的靶材最远一侧的膜边缘到距离所述包括锕系金属的靶材最近一侧的膜边缘，所述锕系金属在膜中的质量百分含量由低到高呈梯度分布。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
采用U靶、Nb靶和Zr靶三种纯金属靶进行三靶磁控溅射。溅射前开启放射性气溶胶专用负压排风系统，用卤素灯以150℃的温度加热10min；
采用直径2英寸的单晶硅片作为溅射基底，靶材直径和厚度分别为 50.5mm和5mm。U靶的靶基距为50mm，U靶表面几何中心线与基底表面所在平面所成的较小角度为60°，U靶表面几何中心线与基底表面所在平面的交点和基底表面几何中心的直线距离为20mm；Nb靶的靶基距为60mm， Nb靶表面几何中心线与基底表面所在平面所成的较小角度为60°，Nb靶表面几何中心线与基底表面所在平面的交点和基底表面几何中心的直线距离为20mm；Zr靶的靶基距为60mm，Zr靶表面几何中心线与基底表面所在平面所成的较小角度为60°，Zr靶表面几何中心线与基底表面所在平面的交点和基底表面几何中心的直线距离为20mm；两个任意相邻靶材各自表面几何中心线与其在基底表面所在平面上的投影所形成的截面之间的角度为120°，多靶溅射时基底不进行自转。Ar气流量为15sccm，工作真空度为5.2×10-1Pa；磁控溅射时的离子束直流电源功率分别为：U靶70W，Nb靶90W以及Zr靶90W，多靶磁控溅射的时间为60min。
溅射完毕后的三元锕系合金连续梯度膜的外观如图1所示，从图1可以看出，制备得到的梯度膜表面呈镜面级平整，且膜层致密。采用扫描电镜测量梯度膜的厚度，膜厚为1.3μm。采用能谱分析(EDS探测器)对距离U 靶最远一侧的膜边缘到距离U靶最近一侧膜边缘进行元素含量分析，距离U 靶最远一侧的膜边缘，U的质量百分含量为55％，位于基底中心区域膜中U 的质量百分含量为75％，距离U靶最近一侧膜边缘中U的质量百分含量为95％，U在膜中的质量百分含量呈梯度分布，即，从距离U靶最远一侧的膜边缘到距离所述纯锕系金属靶材或锕系合金靶材最近一侧的膜边缘，膜中U 的质量百分含量逐渐增加。图2为实施例1制备得到的梯度膜中心区域的选区图，其中，标尺为50μm，图3为图2方框区域内的膜成分含量分析结果图，即，位于基底中心区域膜中的U的质量百分比为75.27％，Nb和Zr的含量较为接近，分别为12.13％和12.60％。
实施例2
采用U靶、Nb靶和Zr靶三种纯金属靶进行三靶共溅射。溅射前开启放射性气溶胶专用负压排风系统，用卤素灯以150℃的温度加热10min，并以40W功率预溅射U靶5min；
采用直径2英寸的单晶硅片作为溅射基底，基底采用掩膜的方式进行分区隔离，掩膜的示意图如图4所示，图4为实施例2的掩膜外观图，其中，每个矩形方格的尺寸为4mm×8mm，中心圆的直径为4mm，方格和中心圆的内部区域不会覆盖基底，可以使梯度膜通过磁控溅射沉积到基底上，方格和中心圆外的其余部分则作为掩膜覆盖基底。靶材直径和厚度分别为 50.5mm和5mm。U靶的靶基距为50mm，Nb靶的靶基距为65mm，Zr靶的靶基距为65mm，各靶材表面几何中心线与基底表面所在平面所成的较小角度、各靶材表面几何中心线与基底表面所在平面的交点和基底表面几何中心的直线距离以及两个任意相邻靶材各自表面几何中心线与其在基底表面所在平面上的投影所形成的截面之间的角度与实施例1相同，多靶溅射时基底不进行自转。Ar气流量为30sccm，工作真空度为5.5×10-1Pa；磁控溅射时的离子束直流电源功率分别为：U靶70W，Nb靶90W，Zr靶90W。多靶磁控溅射的时间为60min。
得到三元锕系合金分立梯度薄膜并根据EDS成分分析结果模拟膜中U、 Nb、Zr梯度成分分布，结果如图5所示，图5为实施例2制备得到的三元锕系合金分立梯度薄膜外观与成分分布模拟图，a为实施例2制备得到的三元锕系合金分立梯度薄膜外观图，其中，靠近U靶的富U薄膜区域出现部分卷曲和脱落，其余分立薄膜均较为平滑致密。采用扫描电镜测量分立梯度膜的厚度，膜厚在1.1～1.5μm之间。经过能谱分析(EDS)，距离U靶最远一侧的分立膜中，U的质量百分含量为62％，位于基底中心区域的分立膜中 U的质量百分含量为75％，距离U靶最近一侧的分立膜中U的质量百分含量为95％，U在分立膜中的质量百分含量呈梯度分布。图5中的b为实施例 2制备得到的三元锕系合金分立梯度薄膜成分分布模拟图，是根据上述EDS 成分分析结果模拟得到的。图5表明实施例2实现了锕系合金三元分立梯度薄膜的制备。
实施例3
采用U靶、Nb靶和Zr靶三种纯金属靶进行三靶磁控溅射。溅射前开启放射性气溶胶专用负压排风系统，用卤素灯以150℃的温度加热10min，并以40W功率预溅射U靶5min；
将9个12mm×12mm的不锈钢基片放置在50mm×50mm的不锈钢承载槽板上作为溅射基底，如图6所示，图6为实施例3所用不锈钢承载槽板以及放置不锈钢基片后的外观图，左图为不锈钢承载槽板的外观图，右图为承载槽板放置不锈钢基片后的外观图。这样一次溅射可以获得9个分立的梯度薄膜，每片薄膜样品可以分别取下并用于后续的电化学实验测试其抗腐蚀性能。靶材直径和厚度分别为50.5mm和5mm。U靶的靶基距为50mm，Nb 靶的靶基距为65mm，Zr靶的靶基距为65mm，各靶材表面几何中心线与基底表面所在平面所成的较小角度、各靶材表面几何中心线与基底表面所在平面的交点和基底表面几何中心的直线距离以及两个任意相邻靶材各自表面几何中心线与其在基底表面所在平面上的投影所形成的截面之间的角度与实施例1相同，多靶溅射时基底不进行自转。Ar气流量为30sccm，工作真空度为5.5×10-1Pa；磁控溅射时的离子束直流电源功率分别为：U靶70W， Nb靶90W,Zr靶90W，多靶磁控溅射的时间为60min。
制备三元锕系合金分立梯度薄膜较为平滑致密，采用扫描电镜测量分立梯度膜的厚度，分立膜的膜厚为1.3μm。经过能谱分析(EDS)，距离U靶最远一侧的分立膜中，U的质量百分含量为50％，位于基底中心区域的分立膜中U的质量百分含量为70％，距离U靶最近一侧的分立膜中U的质量百分含量为96％，U在分立膜中的质量百分含量呈梯度分布。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种锕系合金梯度膜的制备方法，其特征在于，在基底上进行多靶磁控溅射，得到所述锕系合金梯度膜；进行所述多靶磁控溅射时，所述基底不进行自转；所述多靶磁控溅射用靶材为两种以上，其中至少有一种靶材为包括锕系金属的靶材；以多靶磁控溅射所用靶材所含金属元素的总种类数计，所述金属元素的种类为3种以上，且其中一种为锕系金属，其余为非锕系金属；
从距离所述包括锕系金属的靶材最远一侧的膜边缘到距离所述包括锕系金属的靶材最近一侧的膜边缘，所述锕系金属在膜中的质量百分含量由低到高呈梯度分布；
所述多靶磁控溅射所用靶材包括：
一种靶材A与两种或以上靶材C的组合；
或：一种靶材A与至少一种靶材D的组合；
或：一种靶材A、至少一种靶材C与至少一种靶材D的组合，且靶材C和靶材D一共至少包括两种不同种类的非锕系金属；
或：一种靶材B与至少一种靶材C的组合，且靶材B和靶材C一共至少包括两种不同种类的非锕系金属；
或：一种靶材B与至少一种靶材D的组合，且靶材B和靶材D一共至少包括两种不同种类的非锕系金属；
或：一种靶材B、至少一种靶材C与至少一种靶材D的组合，且靶材B、靶材C和靶材D一共至少包括两种不同种类的非锕系金属；
其中，所述靶材A为纯锕系金属靶材；所述靶材B为锕系金属-非锕系金属合金靶材，由一种锕系金属以及一种及以上非锕系金属组成；所述靶材C为纯非锕系金属靶材；所述靶材D为非锕系合金靶材，由两种及以上非锕系金属组成；
所述锕系金属包括U、Th或Pu，所述非锕系金属包括Nb、Zr、Mo、Ti、Hf、Re、V、Fe、Ni、Cr或Al；
所述靶材A和所述靶材C的靶基距独立地为25~60mm，所述靶材B的靶基距为25~60mm，所述靶材D的靶基距为25~60mm；
所述靶材表面几何中心线与所述基底表面所在平面所成的较小角度为45~65°；
所述靶材表面几何中心线与所述基底表面所在平面的交点和所述基底表面几何中心的直线距离为15~25mm；
两个任意相邻所述靶材各自表面几何中心线与其在所述基底表面所在平面上的投影所形成的截面之间的角度为360°与所述靶材数量的比值。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述靶材A和所述靶材C磁控溅射时的电源功率独立地为40~90W；所述靶材B磁控溅射时的电源功率为40~90W；所述靶材D磁控溅射时的电源功率为40~90W；所述多靶磁控溅射的时间为10~120min。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述多靶磁控溅射前还包括对所述靶材进行加热和预溅射，所述加热的温度为100~200℃，时间为5~20min。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述预溅射用靶材为靶材A或靶材B，当所述预溅射的靶材为靶材A时，所述预溅射的电源功率为40~80W，时间为1~5min；当所述预溅射的靶材为靶材B时，所述预溅射的电源功率为40~60W，时间为1~3min。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述多靶磁控溅射时的真空度为3.0×10-1~3Pa，所述多靶磁控溅射的工作气体为氩气，所述氩气的流速为15~30sccm。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基底的溅射面为连续区域或包括若干个不相连的区域，当所述基底的溅射面为连续区域时，所述梯度膜为连续梯度膜；当所述基底的溅射面包括多个不相连的区域时，所述梯度膜为分立梯度膜。
7.根据权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，还包括采用抗辐照的排风系统将所述预溅射或所述磁控溅射产生的放射性锕系金属气溶胶进行排放和处理。
8.权利要求1~7任一项所述制备方法制备得到的梯度膜，其特征在于，所述梯度膜的组成包括一种锕系金属和至少两种非锕系金属；
从距离所述包括锕系金属的靶材最远一侧的膜边缘到距离所述包括锕系金属的靶材最近一侧的膜边缘，所述锕系金属在膜中的质量百分含量由低到高呈梯度分布。
CN202211112488.8A 2022-09-14 2022-09-14 一种锕系合金梯度膜及其制备方法 Active CN115449764B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211112488.8A CN115449764B (zh) 2022-09-14 2022-09-14 一种锕系合金梯度膜及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211112488.8A CN115449764B (zh) 2022-09-14 2022-09-14 一种锕系合金梯度膜及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN115449764A CN115449764A (zh) 2022-12-09
CN115449764B true CN115449764B (zh) 2023-09-01

Family

ID=84303113

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211112488.8A Active CN115449764B (zh) 2022-09-14 2022-09-14 一种锕系合金梯度膜及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115449764B (zh)

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1369700A (en) * 1970-12-23 1974-10-09 Union Carbide Corp Primary target for the production of fission products in a nuclear reactor and process for preparation
US3940318A (en) * 1970-12-23 1976-02-24 Union Carbide Corporation Preparation of a primary target for the production of fission products in a nuclear reactor
WO1996013038A1 (en) * 1994-10-25 1996-05-02 Atomic Energy Of Canada Limited/Energie Atomique Du Canada Limitee Target for use in the production of molybdenum-99
US5534360A (en) * 1991-12-13 1996-07-09 International Business Machines Corporation Amorphous uranium alloy and use thereof
JP2002167668A (ja) * 2000-11-30 2002-06-11 Toshiba Corp スパッタリングターゲット
CN1926252A (zh) * 2004-03-01 2007-03-07 日矿金属株式会社 高纯度Ru粉末、烧结该高纯度Ru粉末得到的溅射靶以及用该靶溅射得到的薄膜和高纯度Ru粉末的制造方法
AU2011372143A1 (en) * 2011-06-30 2013-12-19 Jx Nippon Mining & Metals Corporation High-purity erbium, sputtering target comprising high-purity erbium, metal gate film having high-purity erbium as main component thereof, and production method for high-purity erbium
CN106929810A (zh) * 2015-12-30 2017-07-07 中核北方核燃料元件有限公司 一种贫铀磁控溅射靶片的制备方法
US9837564B1 (en) * 2015-07-13 2017-12-05 Los Alamos National Security, Llc Actinide oxide photodiode and nuclear battery
CN108559965A (zh) * 2018-07-25 2018-09-21 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种金属铀表面制备抗氧化铀钽薄膜的方法
CN111826609A (zh) * 2020-03-30 2020-10-27 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种u-w-n三元薄膜及其制备方法和应用
WO2021222207A2 (en) * 2020-04-27 2021-11-04 Westinghouse Electric Company Llc Plated metallic substrates and methods of manufacture thereof

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2905707B1 (fr) * 2006-09-08 2009-01-23 Centre Nat Rech Scient Procede pour deposer sur un substrat une couche mince d'alliage metallique et alliage metallique sous forme de couche mince.

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1369700A (en) * 1970-12-23 1974-10-09 Union Carbide Corp Primary target for the production of fission products in a nuclear reactor and process for preparation
US3940318A (en) * 1970-12-23 1976-02-24 Union Carbide Corporation Preparation of a primary target for the production of fission products in a nuclear reactor
US5534360A (en) * 1991-12-13 1996-07-09 International Business Machines Corporation Amorphous uranium alloy and use thereof
WO1996013038A1 (en) * 1994-10-25 1996-05-02 Atomic Energy Of Canada Limited/Energie Atomique Du Canada Limitee Target for use in the production of molybdenum-99
JP2002167668A (ja) * 2000-11-30 2002-06-11 Toshiba Corp スパッタリングターゲット
CN1926252A (zh) * 2004-03-01 2007-03-07 日矿金属株式会社 高纯度Ru粉末、烧结该高纯度Ru粉末得到的溅射靶以及用该靶溅射得到的薄膜和高纯度Ru粉末的制造方法
AU2011372143A1 (en) * 2011-06-30 2013-12-19 Jx Nippon Mining & Metals Corporation High-purity erbium, sputtering target comprising high-purity erbium, metal gate film having high-purity erbium as main component thereof, and production method for high-purity erbium
US9837564B1 (en) * 2015-07-13 2017-12-05 Los Alamos National Security, Llc Actinide oxide photodiode and nuclear battery
CN106929810A (zh) * 2015-12-30 2017-07-07 中核北方核燃料元件有限公司 一种贫铀磁控溅射靶片的制备方法
CN108559965A (zh) * 2018-07-25 2018-09-21 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种金属铀表面制备抗氧化铀钽薄膜的方法
CN111826609A (zh) * 2020-03-30 2020-10-27 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种u-w-n三元薄膜及其制备方法和应用
WO2021222207A2 (en) * 2020-04-27 2021-11-04 Westinghouse Electric Company Llc Plated metallic substrates and methods of manufacture thereof

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
铜上溅射沉积铀薄膜AES研究;蒋春丽等;《真空科学与技术学报》;第29卷(第2期);135-138 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN115449764A (zh) 2022-12-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kuprin et al. Irradiation resistance of vacuum arc chromium coatings for zirconium alloy fuel claddings
Pecheur et al. Precipitate evolution in the Zircaloy-4 oxide layer
Antill et al. The effect of surface implantation of yttrium and cerium upon the oxidation behaviour of stainless steels and aluminized coatings at high temperatures
Hu et al. Effect of neutron and ion irradiation on the metal matrix and oxide corrosion layer on Zr-1.0 Nb cladding alloys
US20220375631A1 (en) Physical vapor deposition of ceramic coatings on zirconium alloy nuclear fuel rods
CN115449764B (zh) 一种锕系合金梯度膜及其制备方法
Kano et al. Modification of the high fluence irradiation facility at the University of Tokyo: Assessment of radiation-induced amorphization of Zr (Cr, Fe) 2 Laves phase under 180 keV-He+ irradiation
Kim et al. Comparison of void swelling of ferritic-martensitic and ferritic HT9 alloys after high-dose self-ion irradiation
Wang et al. Irradiation-accelerated corrosion/oxidation of the Cr coating prepared by arc-ion plating
Garner et al. Production of voids in stainless steel by high-voltage electrons
He Radiation damage and its impact on corrosion in Zirconium-Niobium alloys
Bennett et al. Some aspects of the effects of fission fragment irradiation upon the oxidation of austenitic stainless steels by oxygen at 650° and 800° C
O'shaughnessy et al. Sputtering of rare gas solids by keV ions
Kashkarov et al. Formation of titanium interlayer by vacuum arc deposition to increase the durability of titanium nitride coatings under thermal cycling conditions
Gnesin et al. On the Possibilities of Increasing the Diffusion Resistance of Protective Silicide Coatings on the Surface of E110 Alloy
Henager Jr et al. Corrosion report for the U-Mo fuel concept
Eriksson Evolution of microstructure and nanoscale chemistry of Zircaloy-2-type alloys during nuclear reactor operation
Fazi et al. Development and Performance Evaluation of Accident Tolerant Coated Fuel Claddings for Light Water Reactors
O'Driscoll et al. The Oxidation of Groups IVA, VA and VIA Elements in Carbon Dioxide and the Development of Oxidation Resistant Zirconium Alloys
Polovov et al. Corrosion of metallic materials in the molten FLiNaK
Angiolini et al. Towards a new approach for structural materials of Lead Fast Reactors
Peng et al. Corrosion behavior of carbon implanted ZIRLO alloy in 1 M H2SO4
Merezhko et al. The Complexity and Challenges of Irradiation-Induced Phase Instability Phenomenon in Nuclear Power Plant Components
JPS6166188A (ja) 原子炉制御棒
Ryabikovskaya Studies on Swelling Resistance of Pure Chromium as a Fuel Cladding Coating Material

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant