Tungsten—中科院上海应用物理研究所林俊：核热推进高致密细晶化金属陶瓷燃料颗粒的制备及热力学性能研究

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摘要

核热推进高比冲、大推力的特点使之成为执行深空探测甚至星际航行任务最具吸引力的推进方式，而金属陶瓷燃料（CERMET，Ceramic Metal）是最具潜力的核热推进的燃料之一。CERMET 燃料将UO₂粉末弥散在钨基体中，为了提高燃料的性能和使用寿命，通常需要在 UO₂ 外涂覆钨包覆层，提高与基体的相容性和耐腐蚀性能，以提高燃料的使用寿命。因此制备高质量的钨包覆层是提高CERMET燃料性能的关键技术。

近日，中国科学院上海应用物理研究所 林俊课题组通过喷动床化学气相沉积法在燃料颗粒表面制备了纯相、厚度均匀（约10μm）、致密（19.24g/cm³）的钨层，并研究了其微观结构和热导率等性能。这些工作为研究钨包覆燃料颗粒在高功率密度、快速升降温工况下的性能建立了基础。该工作发表于英文期刊《Tungsten》上，张锋副研究员和林俊研究员为共同通讯作者，论文标题为：“Preparation of the highly dense ceramic-metal fuel particle with fine-grained tungsten layer by chemical vapor deposition for application in nuclear thermal propulsion”。

图文详情

图1展示了钨包覆燃料颗粒及其截面，以及不同沉积温度时钨包覆层的 XRD 图。可以看出，制备的钨包覆燃料颗粒具有光滑的表面，且包覆层致密、均匀，且钨层均为纯相的体心立方α-W，择优生长面均为（1 1 0）面。

图1  1173 K沉积温度制备的钨包覆燃料颗粒及其截面图

图2展示了不同沉积温度下制备的钨包覆层的截面及表面的微观结构。结果表明，沉积速率随着沉积温度的升高而增加。但过快的沉积速率增加了孔隙的尺寸和比例，不利于生长致密的钨包覆层。

图2 不同沉积温度下钨包覆层的沉积速率、截面形貌和微观结构

图3为1173K沉积温度制备的钨包覆层的EBSD图。从内层到外层，首先生成等轴晶，随着沉积时间及厚度的增加，逐渐转化为柱状晶。通过控制化学沉积过程的参数，可以对钨包覆层的微观结构进行调控。

图3  1173 K沉积温度制得的钨层截面的晶粒分布

图4和图5分别展示了利用纳米压痕测得的钨包覆层硬度、杨氏模量和热导率。在1173K的沉积温度下 制备的钨包覆层具有较高的硬度（~7GPa）、杨氏模量（~200GPa）和热导率（101–124 W/(m·K)）。

图5  1173 K沉积温度制备的钨包覆层的热力学性能

总结与展望

      本文通过喷动床化学气相沉积法在球形燃料颗粒（ZrO₂模拟）上制备了纯相、均匀、高度致密的细晶钨包覆层，并测量了钨包覆层的硬度、杨氏模量和热导率等性能参数。这些工作为进一步展开对致密细晶化金属陶瓷颗粒高温热循环、氢腐蚀考核等性能评价实验建立了基础。后续还将进一步优化制备工艺，提高热导率的测试温度范围，并开展弥散金属陶瓷燃料颗粒元件的研制及评价等工作。

引用

Guo LH, Zhang F, Lu LY, You Y, Lu JQ, Zhu LB, Lin J. Preparation of the highly dense ceramic-metal fuel particle with fine-grained tungsten layer by chemical vapor deposition for application in nuclear thermal propulsion. Tungsten. 2021;DOI: 10.1007/s42864-021-00117-2.

全文链接

https://link.springer.com/article/10.1007/s42864-021-00117-2

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内容为【钨科技英文 Tungsten】公众号原创，供稿人：林俊，张锋。

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专刊介绍

作者简介

林俊

林俊，博士，中国科学院上海应用物理研究所研究员。主要研究方向为先进核燃料、核分析及辐照技术研究。

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