[發明專利]Ti3SiC2基陶瓷材料作為耐熔融氟鹽腐蝕材料的應用

在審

• 申請號: 201310549925.7
• 申請日: 2013-11-07
• 公開（公告）號: CN104637551A
• 公開（公告）日: 2015-05-20
• 發明（設計）人: 黃慶;周潔;懷平;鄧啟煌;葉群;荊雷;李凌;周小兵
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: G21C3/54
• 分類號: G21C3/54;B05D7/14;C04B35/56
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 單英

技術領域

本發明涉及Ti₃SiC₂基陶瓷材料技術領域，尤其涉及該陶瓷材料作為耐熔融氟鹽腐蝕材料的應用。

背景技術

我國是一個能源小國，石油資源相當貧乏，特別是隨著經濟的快速發展，國家對能源的需求日益加大，因此能源問題關系到國家的穩定與發展。目前，國家電力生產中火電占約80%，水電占約16%，其余為風力發電、核電等。其中，核能具有能量密度高、低碳排放、潛在的可持續發展性等優勢，在全球氣候變化的情況下，節能減排、低碳經濟正促使核能在全球復興。但是，核電在我國能源結構中的占比僅為1.12%，而在核電發達的法國，核電在電力結構中所占比例達到80%，因此大力發展核能已成為我國能源中長期發展規劃的重點。

然而，發展核電也面臨著諸多問題。其中一個問題是我們缺乏傳統核電所用的鈾燃料。但是，我國擁有豐富的釷原料，研究將釷轉化為鈾的技術方法，采用先進的熔鹽堆技術研發出更安全、更清潔、最終也更經濟的以釷為基礎的第四代裂變反應堆核能系統——釷基熔鹽堆核能系統（TMSR）可以較好地解決核裂變反應堆的安全、燃料問題。

熔融氟鹽具有低熔點、高沸點、低蒸汽壓、高的比熱容和熱導率、高化學穩定性、低壓下密度高等優點，有望作為熔鹽反應堆燃料鹽在熔鹽堆技術中廣泛應用。另外，熔融氟鹽還在主冷卻劑、換熱介質、乏燃料干法后處理用電解質等方面獲得廣泛的應用。

但是，熔融氟鹽的工作溫度高、腐蝕性強，要求盛裝該熔融氟鹽的容器或處于該熔融氟鹽環境中的結構材料具有優良的耐熔融氟鹽腐蝕性。例如，在熔鹽反應堆中使用的熔融氟鹽需要長期在高溫（即氟鹽熔點以上至1000℃的溫度區間）下運行，就需要核包殼材料、盛載燃料熔鹽的容器和盛載換熱鹽的管道等結構材料具有優良的耐高溫與耐熔融氟鹽腐蝕性；在反應堆乏燃料的干法后處理中，氟化物一般在550-650℃溫度段工作，就需要進行分離操作的容器和電極材料具有耐高溫化學腐蝕及電化學腐蝕的雙重性能。

目前，有關結構材料的耐熔融氟鹽腐蝕性能研究表明，大多數傳統的高溫合金材料在熔融氟鹽環境下的腐蝕與空氣中的氧化和熱腐蝕具有本質差別。不同于傳統的空氣和水溶液中的氧化，在熔融氟鹽環境中，材料表面保護性的氧化膜多數會發生溶解因而不具有保護性。

例如，美國宇航局（NASA）的研究者發現常見高溫合金材料在熔融氟鹽中腐蝕嚴重，各組分的腐蝕傾向隨Ni、Co、Fe、Cr、Al這一順序依次增加，對于多組分合金，活潑金屬會發生選擇性氧化和溶解，造成整個合金材料失效；同時他們也發現Nb、Mo和W等耐火金屬材料，Ni-Mo基Hastelloy?B合金材料的腐蝕程度較低，但是耐火金屬材料抗氧化性很差，Hastelloy?B合金材料在650-815℃服役后嚴重脆化，并且抗氧化能力差，因而作為結構組件長期暴露在空氣中問題依然存在。

美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的研究表明Inconel（（15%Cr,7%Fe,78%Ni）合金在以NaF-ZrF4-UF4（53.09-40.73-6.18mol%）為燃料鹽的熔鹽反應實驗堆（MSRE）中作為容器材料腐蝕情況嚴重，主要腐蝕機理是Cr元素的選擇性溶解。他們隨后專門設計了改性的鎳基合金Hastelloy-N（17%Mo7%Cr、5%Fe、其余為Ni），但是Hastelloy-N缺乏其他鎳基及鐵鎳基合金所具有的高溫強度，因而長期服役的可靠性仍待解決。

Wisconsin-Madison大學的研究表明，常見的高溫合金Hastelloy-X,Haynes-230、Inconel-617在高溫FLINAK熔鹽環境中都遭受到嚴重的腐蝕，而Ni-201（Ni含量大于90%）表現出良好的抗腐蝕性，但是元素態的純鎳材料作為結構組件缺乏應有的高溫強度，熱解碳（PyC）/SiC涂層能夠提高C/Si/SiC復合材料的耐腐蝕性，Ni、Mo涂層也能夠在一定程度上改善高溫合金材料的耐腐蝕性，然而均存在高溫剝落及涂層均勻性等問題。

發明內容

本發明人發現，Ti₃SiC₂陶瓷材料及Ti₃SiC₂復合陶瓷材料，即Ti₃SiC₂基陶瓷材料具有耐熔融氟鹽腐蝕特性。