CN102899615B - 一种在锆晶体表面镀锆铜非晶合金膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在锆晶体表面镀锆铜非晶合金薄膜的方法，是将经过精细抛光、清洗烘干的锆工件置于磁控溅射镀膜机中，预抽真空至优于5×10-4Pa，通入高纯氩气，调节真空度至0.35Pa，开启装有锆铜合金靶、或者高纯锆靶、铜靶的溅射源，调节功率至40~80W，沉积20~35分钟，关闭溅射源，即可制备0.69~1.05um的锆铜非晶合金膜，该膜与锆基体结合性能好，对锆基体的力学性能有所提高，能增强抗腐蚀性能和提高抗辐照能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种镀非晶合金薄膜的方法，特别是涉及一种在锆表面镀非晶合金薄膜的方法。
背景技术
随着我国核电事业的发展，以及***核反应堆概念堆的提出，研究新材料已经成为建造***堆型的迫在眉睫事情。对于反应堆来说，制约其发展的重要因素是包壳材料该包壳材料要求具有以下条件：1.具有良好的核性能，也就是中子吸收截面要小，感生放射性要弱；2.具有较好的导热性能；3.与核燃料的相容性要好；4.具有良好的机械性能，即能够提供合适的机械强度和韧性，使得在燃耗较深的条件下，仍能保持燃料元件的机械完整性；5.应有良好的抗腐蚀能力；6.具有良好的辐照稳定性；7.容易加工成形，成本低廉，便于后处理。现有的陶瓷包壳膜由于脆性大，热中子吸收截面大，热膨胀系数与锆合金基体相差比较大从而导致容易脱落，这一系列因素大大影响了其在包壳材料中的使用。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种低成本，工艺可控性强，且易于工业化规模生产的非晶态ZrCu薄膜材料的制备方法，能获得结合性强，膜质均匀致密，力学性能优异，耐腐蚀性能强，抗中子辐照能力强的ZrCu非晶合金薄膜材料，满足于核反应堆中燃料包壳膜的需求。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种在锆晶体表面镀锆铜非晶合金膜的方法，包括以下步骤：
（1）靶材选取
以铜-锆合金靶（Zr：Cu=65:35（原子比）），或者高纯铜靶、高纯锆靶作为溅射靶，将靶材放置于磁控溅射室；
（2）衬底处理
将锆工件表面精细抛光、置于超声波清洗器中有机溶剂清洗并晾干，将处理后的工件置于磁控溅射镀膜机中；
所述的有机溶剂是丙酮和酒精；
（3）制备ZrCu非晶合金薄膜
预抽真空至优于5×10-4Pa，通入高纯氩气，调节真空度至0.35Pa,开启偏压电源，偏压清洗2-10分钟，随后关闭偏压电源，开启装有靶材的溅射源，靶材到衬底的距离是80mm，预溅射2-5分钟，开启挡板，溅射温度为室温，对衬底进行循环水冷处理，关闭溅射源，锆工件表面形成一层0.69~1.05um的锆铜非晶合金薄膜；
当靶材为合金靶时，合金靶的功率是80W，沉积20~35分钟；
当靶材为高纯铜靶、高纯锆靶时，锆靶的功率是80W，调节铜靶的功率至10~40W，沉积20分钟，铜靶和锆靶的倾斜角均为60度。
非晶态合金无位错、无晶界、无第二相，是无晶体缺陷的凝聚态材料，具有许多性能优势，比如具有很高的机械强度、优良的弹性性能、良好的抗腐蚀能力、抗辐照能力强等优点，是一种潜在的核材料。反应堆中的广泛应用合金材料是Zr，而Cu很少使用，但锆和铜都具有较高的热传导性能，发明人猜测Zr-Cu非晶合金可能是一种良好的反应堆燃料包壳膜。因此发明人选用直流磁控溅射法制备ZrCu非晶合金薄膜，所得材料具有良好的力学性能和抗腐蚀性能，以及较强的抗中子辐照能力，与反应堆包壳材料锆合金成分接近，因此具有相近的热膨胀系数，高温环境中不易脱落，因此本发明制备的ZrCu薄膜可应用于核反应堆燃料包壳膜。
附图说明
图1是不同溅射时间的X射线衍射谱，从图中可以看出均为平缓的馒头峰，说明本发明的薄膜是非晶或纳米晶（曲线a-实施例1、曲线b-实施例2、曲线c-实施例3、曲线d-实施例4。
图2是溅射时间为20分钟80W（实施例1）的高分辨透射电子显微图，可见存在大量无序的原子排列，进一步证实本发明为非晶态薄膜。
图3是溅射时间为30分钟80W（实施例3）的扫描电镜图，可以看出薄膜的厚度大致为0.99um,且具有很好的平整度。
图4是溅射30分钟（实施例3）的复合材料与纯锆工件的应力应变曲线，从图中可以看出，复合材料的抗拉能力要强于纯锆工件，而且塑性形变也有一定的提高。
具体实施方式：
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
在锆晶体表面镀锆铜非晶合金膜的方法，包括以下步骤：
（1）靶材选取
选取纯度为99.999%的高纯铜与99.2%的锆熔炼成合金靶，Zr和Cu的原子比为65:35，合金靶的尺寸为2英寸×4mm，将靶材放入磁控溅射室；
（2）衬底处理
将锆工件表面经过精细抛光，置于超声波清洗器中，用丙酮和酒精各清洗15分钟，用吹风机吹干。将处理后的工件置于磁控溅射镀膜机中；
（3）制备ZrCu非晶合金薄膜
预抽真空至优于5×10-4Pa，通入99.999%的高纯氩气，调节真空度至0.35Pa,开启偏压电源至-434V，偏压清洗2-10分钟，随后关闭偏压电源，开启装有锆铜合金靶的溅射源，预溅射2-5分钟后开启挡板，调节功率至80W，沉积20分钟，对衬底进行循环水冷处理，靶材到衬底的距离是80mm。关闭溅射源，最后取出，锆工件表面形成一层大约0.69um的锆铜非晶合金薄膜。
实施例2
本实施中步骤（3）的沉积时间是25分钟，其他实施条件和实施例1相同，制得的ZrCu非晶合金的薄膜厚度大约0.98um。
实施例3
本实施中步骤（3）的沉积时间是30分钟，其他实施条件和实施例1相同，制得的ZrCu非晶合金的薄膜厚度大约0.99um。
实施例4
本实施中步骤（3）的沉积时间是35分钟，其他实施条件和实施例1相同，制得的ZrCu非晶合金的薄膜厚度大约1.05um。
实施例5
利用磁控溅射法制备ZrCu非晶合金薄膜的方法，与实施例不同之处在于，步骤（1）中选取纯度为99.999%的铜靶和纯度为99.2%的锆靶作为溅射靶；步骤（3）中锆靶的功率是80W，调节铜靶的功率至10W，沉积20分钟，铜靶和锆靶的倾斜角均为60度，靶材到衬底的距离均为80mm。最后在锆工件表面形成一层大约0.53um厚，成分为Zr80Cu20的锆铜非晶合金薄膜。
实施例6
与实施例5不同之处在于步骤（3）中锆靶的功率是80W，调节铜靶的功率至20W。最后在锆工件表面形成一层大约0.60um厚，成分为Zr65Cu35的锆铜非晶合金薄膜。
实施例7
与实施例5不同之处在于步骤（3）中锆靶的功率是80W，铜靶的功率至30W。最后在锆工件表面形成一层大约0.69um厚，成分为Zr50Cu50的锆铜非晶合金薄膜。
实施例8
与实施例5不同之处在于步骤（3）中锆靶的功率是80W，调节铜靶的功率至40W。最后在锆工件表面形成一层大约0.71um厚，成分为Zr48Cu52的锆铜非晶合金薄膜。
Claims (2)
1.一种在锆晶体表面镀锆铜非晶合金膜的方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）靶材选取
以铜-锆合金靶作为溅射靶，将靶材放置于磁控溅射室；锆与铜的原子比为65:35；
（2）衬底处理
将锆工件表面精细抛光、置于超声波清洗器中有机溶剂清洗并晾干，将处理后的工件置于磁控溅射镀膜机中；
（3）制备ZrCu非晶合金薄膜
预抽真空至优于5×10-4Pa，通入高纯氩气，调节真空度至0.35Pa,开启偏压电源至-434V，偏压清洗2-10分钟，随后关闭偏压电源，开启装有靶材的溅射源，靶材到衬底的距离是80mm，预溅射2-5分钟，开启挡板，合金靶的功率是80W，沉积20~35分钟，溅射温度为室温，对衬底进行循环水冷处理，关闭溅射源，锆工件表面形成0.69~1.05um厚的锆铜非晶合金薄膜。
2.根据权利要求1所述的在锆晶体表面镀锆铜非晶合金膜的方法，其特征在于所述的有机溶剂是丙酮和酒精。
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