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西工大腐蝕?頂刊：原子尺度觀察到MAX相陶瓷的腐蝕分層行為！

2022-11-17 15:39:11 作者：腐蝕與防護來源：腐蝕與防護分享至：

Ti3SiC2 MAX相層狀陶瓷是一類兼具金屬導熱、可加工性和陶瓷耐高溫、抗氧化等特性的新型陶瓷材料。因其優(yōu)異的導熱性和高輻照損傷容限特性，被認為是未來先進核能系統(tǒng)燃料包殼涂層和結(jié)構部件的理想候選材料。

西北工業(yè)大學材料學院李曉強教授團隊開展了Ti3SiC2 MAX相在模擬壓水堆一回路水工況下的腐蝕行為研究，相關研究成果以《Hydrothermal corrosion behavior of Ti3SiC2 MAX phase at atomic scale under simulated PWR conditions》為題發(fā)表在《Corrosion Science》上，團隊朱文杰博士為第一作者，李曉強教授和鄭策副教授為共同通訊作者。

2011年日本福島核電站發(fā)生失去冷卻劑事故（Lose Coolant Accident，LOCA），反應堆燃料組件所使用的鋯合金包殼與水蒸氣劇烈反應產(chǎn)生大量可燃氫氣和熱量，導致嚴重的氫爆事故發(fā)生。福島核事故表明傳統(tǒng)鋯合金在壓水堆（PWR）燃料組件中使用有潛在安全隱患。

連續(xù)SiC纖維增強SiC基復合材料（SiCf/SiC）作為新型耐事故燃料包殼和結(jié)構組件的最具前景的候選材料之一，然導熱性低、氣密性差、抗水氧腐蝕性能不足成為其應用于壓水堆所面臨的關鍵瓶頸科學問題。以上問題有望通過Ti3SiC2 MAX相的引入得到提升。因此，Ti3SiC2 MAX相在壓水堆正常運行工況下的抗腐蝕性能是決定其在壓水堆中應用的重要指標之一。

針對上述需求，該工作從腐蝕機理出發(fā)，研究了Ti3SiC2在模擬壓水堆一回路水環(huán)境中的腐蝕行為。研究發(fā)現(xiàn)，溶解氧傾向于沿垂直于c軸方向侵蝕Ti3SiC2晶粒，如圖1所示。

圖1 Ti3SiC2在模擬壓水堆一回路水環(huán)境腐蝕25天后，使用聚焦離子束在樣品表面選取制備的箔片樣品的TEM明場像，沿[11-20]晶帶軸方向觀察的TEM明場像、STEM-HAADF圖像和對應EDS元素分布圖像。

Ti3SiC2腐蝕氧化生成的SiO2會溶解在腐蝕介質(zhì)中，同時表面生成一層由銳鈦礦晶型和金紅石晶型TiO2晶粒共同組成的腐蝕層，如圖2所示。

圖2 Ti3SiC2腐蝕25天樣品的TEM明場像；(a1)和(a2)分別為腐蝕層中的雙錐體銳鈦礦型TiO2晶粒和納米立方體金紅石型TiO2晶粒的HRTEM圖像和SAED圖像。

借助雙球差矯正透射電鏡表征手段，研究人員在原子尺度下直接觀察到Ti3SiC2中Si原子層的脫嵌過程，最后導致Ti3SiC2晶體產(chǎn)生分層，如圖3所示。

圖3 Ti3SiC2腐蝕25天樣品沿[11-20]帶軸觀察的晶體結(jié)構模型和HRSTEM-HAADF圖像。(a)為模擬壓水堆條件下Ti3SiC2MAX相晶體結(jié)構向二維Ti3C2層狀晶體結(jié)構轉(zhuǎn)變的模型示意圖；(b-d)分別為腐蝕過程中未腐蝕、腐蝕初期和腐蝕中期的三個晶體結(jié)構變化階段模型示意圖，(g-i)為實際實驗中直接觀察到的腐蝕過程三個階段的HRSTEM-HAADF圖像；(e)和(f)分別對應(g)和(i)中沿紅線方向表征原子間距的信號強度分布圖。

由于構成Ti3C2層的Ti(1)-C鍵鍵強與連接Ti3C2層和Si層的Ti(2)-Si鍵鍵強的差異，腐蝕介質(zhì)傾向于不斷沿垂直于c軸方向深入腐蝕Ti3SiC2晶粒中的Si原子層，因此可以看到晶粒邊緣出現(xiàn)大量大面積的單層Ti3C2納米片。最終Ti3C2納米片被腐蝕氧化生成TiO2，如圖4所示。