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胡俊华

报告题目:

锆合金包壳耐事故涂层新材料探索

报告人:

胡俊华

所在单位:

郑州大学

报告人简介

胡俊华,河南省特聘教授、河南省杰青。从事战略性金属材料和军事装备的研究。入选英国皇家化学会会士、国际先进材料协会会士。主持完成X军重大装备多模态发电系统,解决内部关键材料问题。建立了核用锆合金的四元热力数据库,发展了CZ系合金相适应的事故容错涂层材料体系。相关成果获得河南省科技进步二等奖、河南省国防科技进步一等奖、河南省教育厅科技成果一等奖等。主持国家基金委、国防科工等项目8项。发表SCI论文两百余篇,H-index 51,出版著作3部。授权发明专利三十余件,参与制订国军标2项、团体标准1项。

摘要:

核能是“双碳”目标的必然选择,其中锆合金被称为核电站的心脏材料。福岛事件以后,各个核能大国致力于寻找适应新型锆合金的容错与防护涂层。我们依托锆合金中常见的合金化元素,以非晶Zr-Si体系为基础,借助计算材料学构筑表面微纳结构,利用溅射镀膜装备开发耐事故涂层新材料。研究在服役条件下的组织演化,服务国家重大需求。设计了Zr-Si多层膜结构,证实了锆的界面硅化过程以及Zr-Si-O非晶钝化膜的选择路径,建立了多层膜的多级防护屏障。设计了Zr-Si非晶涂层利用氧化诱导化学键重构来优化非晶态ZrxSi1-x氧化过程中的相选择路径。基于扩散限域调节氧化初始阶段的Zr/Si分离,自强化转变为非晶双层结构,在亚临界环境下协同阻碍水氧的渗透设计了Zr-Si-O非晶涂层基于SiOx四面体和ZrOx多面体的连续混合,解决了高温高压水环境下硅的腐蚀溶出问题。根据第一性原理和原子键合表征,从Zr/ZSOZSO/H2O两界面的稳定性和元素扩散的角度,建立了非晶ZSO涂层的稳定机制。设计以锆硅为基的多主元高熵涂层。正常工况下基于氧亲和势、元素化学势以及扩散动力学匹配,控制成分和相分离,实现非晶高熵硅化物到高熵氧化物的线性转变,提高阻氧、阻水能力。事故状态下通过氧诱导的元素特殊扩散,实现了热力学和动力学交互作用下混合氧化体系和氧化分层结构的可控转变。基于AlZrCr纳米相的协同偏析,修复涂层内部复杂元素扩散造成的孔洞,获得了机械性能和抗氧化性能的协同增强。通过表面氧化层、残余涂层以及涂层基体界面结合三个角度的优化探索,解决了涂层氧化过程中常见的起皮、开裂以及阻氧效果差三大性难题。