[發明專利]一種細晶粒碳化硅包覆層的制備方法

在審

• 申請號: 201811222217.1
• 申請日: 2018-10-19
• 公開（公告）號: CN109594060A
• 公開（公告）日: 2019-04-09
• 發明（設計）人: 張鋒;林俊;楊旭;李子威;王鵬;朱智勇
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海應用物理研究所
• 主分類號: C23C16/442
• 分類號: C23C16/442;C23C16/32;C23C16/56;C23C16/26;G21C21/02
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 鄧琪;宋麗榮

本發明涉及一種細晶粒碳化硅包覆層的制備方法，包括如下步驟：S1，提供基底；S2，在流化床化學氣相沉積裝置中，將溫度設定為1150?1250℃，通入甲基三氯硅烷蒸汽，載帶氣體為氫氣與氬氣混合氣，得到包覆在基底上的碳化硅層，其中，氫氣在載帶氣體中的體積分數占比為12％?18％；S3，在氬氣環境和1400?1600℃下高溫退火，得到致密的細晶粒碳化硅包覆層。根據本發明的細晶粒碳化硅包覆層的制備方法，不涉及反應氣體丙烯，從而避免了現有技術中的丙烯所引入的碳雜質。實際上，本發明通過降低溫度并調整載帶氣體，也不會引入相應的硅雜質，從而得到細晶化的純相β?SiC包覆層。

技術領域

本發明涉及核材料制備技術領域，更具體地涉及一種細晶粒碳化硅包覆層的制備方法。

背景技術

包覆燃料顆粒由于其固有的安全性，在超高溫氣冷堆、熔鹽堆、小型模塊化反應堆等第四代反應中有廣泛的應用前景。包覆燃料顆粒分別由燃料核芯、疏松熱解炭層(buffer)、內致密熱解碳層(IPyC)、碳化硅層(SiC層)和外致密熱解碳層(OPyC)組成。其中SiC層具有耐中子輻照、耐核裂變產物腐蝕、高溫熱力學性能良好的特性，因此SiC是包覆顆粒的關鍵結構層。不但用來阻擋裂變氣體和金屬裂變產物向外擴散，還具有承受載荷的作用，是反應堆安全的第一道屏障。

研究表明：細晶粒的SiC包殼能有效提高其力學性能，顯著降低裂變產物Ag擴散和Pd的化學侵蝕。因此針對包覆顆粒，在近幾年提出的制備亞微米級晶粒(100nm-1μm)的SiC包殼是最有效最直接提升SiC包殼性能的方法。目前制備細晶粒SiC包覆層的方法通常為在反應氣體中加入丙烯，以丙烯高溫下裂解產生的碳作為異質形核的方式來降低SiC層的晶粒尺寸。然而，此方法易于在SiC包覆層中引入碳雜質，降低SiC層純度。

發明內容

為了解決上述現有技術存在的問題，本發明旨在提供一種細晶粒碳化硅包覆層的制備方法。

本發明所述的細晶粒碳化硅包覆層的制備方法，包括如下步驟：S1，提供基底；S2，在流化床化學氣相沉積裝置中，將溫度設定為1150-1250℃，通入甲基三氯硅烷蒸汽，載帶氣體為氫氣與氬氣混合氣，得到包覆在基底上的碳化硅層，其中，氫氣在載帶氣體中的體積分數占比為12％-18％；S3，在氬氣環境和1400-1600℃下高溫退火，得到致密的細晶粒碳化硅包覆層。

其中，碳化硅層的結構受反應溫度、載帶氣體組成和退火溫度影響，通過調整工藝參數，可以得到晶粒尺寸小于1微米(例如在150-250nm之間)的細晶化的純相β-SiC包覆層，即，通過將沉積溫度選擇為1150-1250℃，同時將氫氣在載帶氣體中的體積分數占比選擇為12％-18％，并且將退火溫度選擇為1400-1600℃，可以獲得致密的細晶粒碳化硅包覆層。具體地，本申請通過將沉積溫度降低至1150-1250℃，使得原子表面遷移率較低，從而得到晶粒較小的碳化硅；對于溫度降低所帶來的反應不完全的問題，本申請通過將氫氣在載帶氣體中的體積分數占比選擇為12％-18％，利用氫氣來抑制反應不完全所產生的SiCl₂等硅烷類雜質，從而消除碳化硅層中的硅雜質；對于溫度降低所帶來的結晶性較差的問題，本申請通過將退火溫度選擇為1400-1600℃，從而消除晶體中的缺陷，提高結晶性。實際上，本申請的步驟S2中的甲基三氯硅烷在反應生成SiC的過程中，首先分解為CH₄，CH₃Cl，C₂H₄等含碳中間產物，SiCl₂，SiCl₄，HSiCl₃等含硅中間產物，這些中間產物再進一步反應生成SiC的分解，通過將氫氣在載帶氣體中的體積分數占比選擇為12％-18％，可以影響反應過程中的中間產物的分解，使得反應過程中的含硅中間產物的量降低，從而使得硅雜質無法形成。而且，本申請的步驟S3中的退火溫度同樣考慮了包覆層的純度，因為β-SiC在高于1600℃的溫度下易轉變為α-SiC。