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直接氮化法解决陶瓷材料透光性问题——访中科院福建物质结构研究所周有福教授


来源:中国粉体网   土豆儿

[导读]  为了更好的了解核反应堆陶瓷材料的一些前沿热点问题,中国粉体网编辑专访了中科院福建物质结构研究所的周有福教授。

中国粉体网讯  自从1942年第一座核反应堆在美国建立,核工业已经发展了将近70年。其间核工业的发展重心从核武器转移到了核能应用上,目前各国又开始共同研究聚变核反应堆。在这期间应用于核工业中的材料也在不断发展,而陶瓷材料以其优异的性能被广泛的应用于核反应堆原料、组件以及核废料处理等各个方面。


为了更好的了解核反应堆陶瓷材料的一些前沿热点问题,中国粉体网编辑专访了中科院福建物质结构研究所的周有福教授。


周有福教授:中国科学院福建物质结构研究所 (海西研究院)研究员、课题组长、博士生导师,同时担任中国硅酸盐学会特种陶瓷分会理事,福建省“百人计划”等人才项目评审专家。主要致力于纳米粉体工程和先进陶瓷材料研发,特别是纳米功能粉体、核能系统陶瓷材料以及光电透明陶瓷。在高性能结构陶瓷、高性能功能陶瓷和无机纳米材料等方面取得了重要研究成果。




直接氮化法合成高质量的AlON陶瓷粉体


核反应堆陶瓷材料AlON透明陶瓷综合性能优异,被美国列为21世纪国防重点发展材料,核反应堆高温窗口、透明装甲等优选材料。AlON透明陶瓷具有可见—中红外波段透过率高、机械强度优异、抗热震性好等优点,是高温窗口、红外整流罩的优选材料。与单晶材料(如蓝宝石)相比,AlON透明陶瓷生产成本较低、易制备大尺寸异形器件,高质量AlON透明陶瓷的制备显得日益重要。


周有福教授课题组采用国产原料,优化直接氮化法,较低成本合成了高纯度高烧结活性AlON超细粉体,经球磨、成型、无压烧结等工序烧制的AlON陶瓷圆片(直径53mm),在400nm和1100nm处的直线透过率分别达77.1%和80.6%。该成果为研制更大尺寸复杂形状AlON透明陶瓷光学部件,实现AlON透明陶瓷实用化及工程化提供了工作基础。


“传统的方法是氧化铝或氮化铝反应,还有一个是碳还原法,氧化铝跟碳在高温下把氮气还原到氧化铝中,而碳有可能会存在潜在残留,所以最后还要进行高温除气。碳是黑色的会影响透光性,而直接氮化法就避免了这个问题。”周教授介绍到。当然,在使用直接氮化法合成陶瓷粉体时也遇到过难题,在问及制备技术难点时,周有福教授说:“直接氮化法需要控制好反应条件,要控制好AlON的比例,一旦比例不对,陶瓷透明度就会受到影响。”这一方法申请了中国发明专利。


SiC陶瓷的增韧技术


SiC陶瓷具有中子特性好、耐腐蚀、高温强度好等性能优点,但由于其分子结构的键合特点,缺乏塑性变形能力,表现为脆性,严重地影响了其作为结构材料的应用潜力。为此,陶瓷强化增韧便成了近年来陶瓷材料研究的核心问题。


中科院物质结构研究所针对新一代核能系统亟需关键技术,开展了SiC基、ZrO2基材料增强增韧、堆芯构件精密制造等研发,在问及有关于这一增强增韧技术的进展时,周有福教授介绍说增韧技术基本就是通过微晶增韧、钉扎增韧、纳米效应这三种方法来提高韧性。


“性能不是问题,问题在成本”


陶瓷材料在核工业上的应用比较广泛,范围跨度大。核工业的发展中心也从核武器转移到了核能应用上来,核反应堆陶瓷材料的应用领域不应仅是在军事上,也应该转移到民用来。在问到关于核反应堆陶瓷材料“军民转移,实现产业化”的问题时,周有福教授坦言到:“成本是问题。”


“其实核反应堆已经是民用的了,例如核电、核能等。要实现军民转移,性能不是问题,问题在于成本。军用的性能指标要求高,而到了民用反而可以相对降低一点。所以实现产业化的关键在成本方面。”


小结


周有福教授在和记者谈到未来核反应堆陶瓷材料的发展时,他提到:“SiC基复合材料由于在中子特性、耐高温方面表现出优异的性能,对更长远的可持续发展来说它会是未来发展的一个重要方向。”核反应堆陶瓷材料其实已经应用于当下的军事和工业中,技术和工艺也在逐渐成熟,而随着陶瓷材料的进一步发展( 比如陶瓷基复合材料的发展),材料性能中的一些薄弱环节像韧性差、难加工等方面也得到了改善,但陶瓷材料仍然还有许多问题需要解决,性能需要进一步提高。

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