铀表面激光N掺杂改性层微观结构及耐氧化机制研究

【作者】 钟火平； 胡殷； 潘启发； 张永彬； 罗丽珠； 李芳芳； 肖红； 李海波； 吴艳萍； 陈志磊； 王晓方； 刘柯钊；

【机构】 表面物理与化学重点实验室； 中国工程物理研究院材料研究所；

【摘要】 在N₂氛围下,利用脉冲激光在铀表面制备了N掺杂改性层,以降低金属铀的表面活性,实现提高其耐腐蚀的目的。分别利用X射线衍射（XRD）、俄歇电子谱（AES）、X射线光电子谱（XPS）对激光N掺杂改性层的结构和化学组成进行了表征。结果显示改性层具有复合结构,在改性层表面主要化学物质为UO₂,在改性层的浅表层（厚度约50 nm范围内的富O区）分布着UO_2-x N_y和UN_x O_y以及少量的UN,随着深度增加改性层中主要分布UN,并出现少量金属U。为了研究改性层的耐氧化机制,利用XPS分别对溅射7分钟(富O区,主要成分为UO_2-x N_y和UN_x O_y),80分钟（主要成分为UN及少量金属U）的表面进行了在不同O₂暴露剂量条件下的初始（原位）氧化行为研究。初始氧化实验结果发现U 4f_7/2结合能位于379.6 eV对应的UN_x O_y在暴露O₂条件下（常温）是惰性的,具有良好的耐氧化性能,总体来说金属U、NaCl结构的UN、UN_x O_y耐氧化性能依次增强。另外,在温度为423 K,真空度为10^-5 Pa条件下氧化24小时,实验结果显示激光N掺杂改性层具有很好的稳定性和优异的阻止O透过改性层向内部扩散的能力。真空热氧化前后的N掺杂改性层具有较好的耐电化学腐蚀性能,其自腐蚀电位和自腐蚀电流分别为-5.75×10^-2 V vs.SCE,1.37×10^-7 A/cm²和-8.57×10^-2 Vvs.SCE,4.83×10^-8 A/cm²,而金属的相应值分别为-5.67×10^-1 V vs.SCE,8.08×10^-7 A/cm²,N掺杂改性处理后的样品经真空热处理后其自腐蚀电流进一步下降,原因可能为真空热处理过程中改性层中残余的少量金属U减少以及微观缺陷减少引起的。总体上,对金属U表面进行N掺杂改性处理后,其耐腐蚀性能有明显改善。更多还原