鈾的表面防腐技術(shù)研究進(jìn)展

陳 麗，劉瑞軒，孟樹文，賴振國(guó)，高凱雄

(1.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)(2.中核四○四有限公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)(3.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 中國(guó)科學(xué)院材料磨損與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000)(4.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)材料與光電技術(shù)學(xué)院，北京 101408)

1 前 言

金屬鈾(U)具有高密度和裂變特性，在國(guó)防和核能應(yīng)用方面有著極其重要的地位。然而，作為錒系元素的一員，鈾元素本身極易失去電子，價(jià)態(tài)有+3、+4、+5、+6四種價(jià)態(tài)，因此，鈾具有很活潑的化學(xué)性質(zhì)。當(dāng)鈾與空氣中的O2、H2O等接觸時(shí)，很容易被腐蝕，生成鈾氧化物、鈾氫化物等，降低鈾金屬的使用壽命。在高溫和高濕度的情況下，鈾的氧化反應(yīng)更加劇烈，嚴(yán)重的氧化腐蝕會(huì)導(dǎo)致氧化層的破裂，氧化層以顆粒的形式釋放到空氣中，造成環(huán)境污染[1-3]，甚至還會(huì)導(dǎo)致放射性污染，損害人的身體健康[4]。因此，鈾的防腐問題一直是科研人員關(guān)注的重點(diǎn)。

2 鈾腐蝕的主要類型

根據(jù)生成物的不同，可以將鈾的腐蝕分為2種類型，即鈾氧腐蝕和鈾氫腐蝕，鈾氧腐蝕又可以分為氧氣腐蝕和水汽腐蝕。

2.1 鈾與氫氣反應(yīng)

在合適的條件下，鈾和氫很容易結(jié)合形成UH3。在UH3中，金屬鈾為+3價(jià)，氫以化學(xué)結(jié)合的方式被捕獲。其反應(yīng)方程式如下：

2U+3H2?2UH3

在氫氣足夠的條件下，該反應(yīng)可以自蔓延[5]，并且在同等環(huán)境下比鈾氧化速率快4個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，氫對(duì)金屬鈾的腐蝕都是有害的，此外，鈾的氫化物是可自燃的[6]，進(jìn)一步導(dǎo)致了周圍的操作安全問題[7, 8]。因此，防止氫氣對(duì)金屬鈾的腐蝕是全世界核工業(yè)正在面臨的一個(gè)技術(shù)難題。

鈾的氫化反應(yīng)是可逆的，UH3被加熱到400 ℃以上時(shí)會(huì)分解成金屬鈾和H2。因此，鈾可以作為一種優(yōu)異的氫的化學(xué)儲(chǔ)存材料，Yoo等[9]研究表明，單位體積內(nèi)鈾存儲(chǔ)的氫氣質(zhì)量幾乎是液態(tài)氫的2倍。Yoo等認(rèn)為，需要進(jìn)一步在速度、效率和重復(fù)性方面對(duì)鈾的儲(chǔ)氫工藝進(jìn)行優(yōu)化。Chung等研究證實(shí)[10]，與用于儲(chǔ)存氫的其他化合物和金屬相比，鈾金屬具有氫吸收平衡壓力低、熱質(zhì)量低和熱導(dǎo)率高的優(yōu)勢(shì)。因此，鈾有望作為一種有效的儲(chǔ)氫材料，尤其是作為氚處理設(shè)施的儲(chǔ)氫介質(zhì)[9]。

2.2 鈾與氧氣反應(yīng)

鈾在室溫下很容易與O2發(fā)生反應(yīng)，生成物為超化學(xué)計(jì)量比的UO2+x，x的數(shù)值一般在0.2～0.4之間。鈾與氧氣的反應(yīng)主要包括氧分子的傳送、表面吸附、分解、原子離子化、離子擴(kuò)散和離子反應(yīng)幾個(gè)階段，其中離子擴(kuò)散為反應(yīng)速率控制步驟[11]。鈾與氧氣的反應(yīng)產(chǎn)物與溫度有關(guān)，常溫下，鈾與氧氣的反應(yīng)式為：

U+O2→UO2

高溫時(shí)鈾與氧氣的反應(yīng)產(chǎn)物主要為U3O8。溫度在100～200 ℃時(shí)，除了生成U3O8，還會(huì)生成UO2。

2.3 鈾與水汽反應(yīng)

鈾在潮濕空氣中的腐蝕行為本質(zhì)上與鈾的氧化過程是相同的，生成物為超化學(xué)計(jì)量比的UO2+x。與鈾的氧化反應(yīng)不同的是，鈾與水蒸氣反應(yīng)在生成氧化鈾的同時(shí)，還會(huì)有氫氣產(chǎn)生。通常，鈾與水蒸氣的反應(yīng)式為：

U+2H2O→UO2+2H2

隨著反應(yīng)的進(jìn)行，氫氣不斷累積，生成的氫氣極易與金屬鈾發(fā)生氫化腐蝕，生成鈾氫化物UH3，因此，當(dāng)鈾所處的環(huán)境中存在水時(shí)，就會(huì)生成UH3，但不一定是腐蝕的主要產(chǎn)物。此外，累積過多的氫氣甚至可能發(fā)生爆炸，危害人身安全[12]。Banos等[3]發(fā)現(xiàn)UH3在高質(zhì)量和高比表面積的空氣中極易發(fā)生自燃，同時(shí)會(huì)加速金屬鈾的腐蝕。

鈾的腐蝕極大地限制了其應(yīng)用，如何提高鈾的耐蝕性一直是研究人員關(guān)注的重點(diǎn)。人們對(duì)鈾的腐蝕與防護(hù)的研究工作幾乎與鈾的工程應(yīng)用同時(shí)進(jìn)行，早在20世紀(jì)40年代，國(guó)外便開始了鈾的腐蝕研究，國(guó)內(nèi)也于20世紀(jì)60年代開始研究鈾的腐蝕與防護(hù)[13]。

3 鈾的表面腐蝕防護(hù)方法

目前鈾的表面腐蝕防護(hù)方法主要有鈾合金化、電鍍涂層、離子注入、離子鍍等。

3.1 表面合金化

合金化是提高金屬耐蝕性最原始且有效的方法[14, 15]。在諸多金屬元素中，Ti，Nb，Zr，Mo等元素可以有效提高鈾的防腐性能。中國(guó)工程物理研究院的吳艷萍團(tuán)隊(duì)[16]制備了U-2.5Nb和U-5.7Nb合金并進(jìn)行淬火和退火處理，通過掃描Kelvin探針和電化學(xué)腐蝕測(cè)試研究了添加Nb對(duì)鈾腐蝕行為的影響。結(jié)果表明，U-Nb合金的伏安電位和腐蝕電位均高于鈾，其中，U-5.7Nb的伏安電位值比鈾提高了370 mV。U-5.7Nb合金的極化電流比鈾降低了約1個(gè)數(shù)量級(jí)。這說明加入Nb元素顯著提高了鈾的耐蝕性。他們進(jìn)一步揭示了U-5.7Nb合金的耐蝕機(jī)理：XRD分析結(jié)果顯示，與鈾和U-2.5Nb合金相比，U-5.7Nb合金表面形成了Nb2O5保護(hù)層，并且在U-5.7Nb合金表面腐蝕后的區(qū)域并沒有觀察到大量U元素的存在(圖1)[16]，說明Nb2O5保護(hù)層為鈾提供了良好的防護(hù)。除了二元鈾合金，將2種或2種以上元素與鈾進(jìn)行合金化形成的多元鈾合金往往具有更好的防腐性能。黃火根等[17]對(duì)多元鈾合金的成分進(jìn)行設(shè)計(jì)，獲得了多種具有優(yōu)異耐蝕性的多元鈾合金，其中U-Pd-Ni-Si非晶合金的腐蝕電位比金屬鈾提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)，腐蝕電流密度低了2個(gè)數(shù)量級(jí)，具有最佳的耐蝕性能。除了耐蝕性能，鈾合金的其他性能也得到提高。Lyon[18]報(bào)道了幾種常見的鈾合金(U-0.75Ti、U-6.0Nb、U-10Mo等)及其性能，結(jié)果表明，加入合金元素后鈾的屈服應(yīng)力和極限抗拉強(qiáng)度也得到了顯著提高。

圖1 動(dòng)電位極化測(cè)試后的微觀形貌和元素分布[16]：(a)鈾，(b)U-5.7Nb合金Fig.1 The morphology and element distribution after potentiodynamic polarization test[16]：(a) U，(b) U-5.7Nb

目前鈾的合金化仍存在著合金成分不均勻、合金中存在碳污染等問題[19]。這些問題使得鈾合金的性能大大降低，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中達(dá)不到預(yù)期效果。為了提高合金成分的均勻程度，目前常用的方法有：熔煉后的熱處理、氫化處理或氫熱處理等。在抑制鈾合金碳污染方面，一般采用改變?nèi)蹮捽釄宀牧系姆椒?，如使用非碳材料作為坩堝材料或在石墨坩堝上添加涂層阻止碳污染[19]。

3.2 電鍍涂層

利用電解原理在某些金屬表面鍍一層金屬涂層的方法稱為電鍍。鈾合金雖然可以提升鈾的防腐性能，但提升效果不佳，尤其是鈾鈦合金，雖然具有優(yōu)異的力學(xué)性能，但耐蝕性較差，而電鍍涂層可以有效提高鈾鈦合金的防腐效果并保留其優(yōu)異的力學(xué)性能。在鈾的防腐研究中，電鍍是應(yīng)用最廣、起步最早的技術(shù)之一。國(guó)外于20世紀(jì)60～70年代便對(duì)鈾的電鍍展開了研究。Orman等[20]采用電鍍工藝在鈾表面成功鍍上了Ni涂層，并使用2種腐蝕環(huán)境進(jìn)行測(cè)試：純水蒸氣和水蒸氣與氧氣的混合物，測(cè)試結(jié)果表明，Ni涂層大大提高了鈾的耐腐蝕性能。影響電鍍涂層性能的因素有很多，如表面處理、鍍液類型以及沉積后處理等，電鍍前進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)處理可以顯著提高電鍍涂層的性能。Owen和Alderton[21]在60 ℃、80%濕度的空氣中，以質(zhì)量增加為指標(biāo)，評(píng)估了鈾上電沉積Ni涂層的保護(hù)性能，并研究了表面處理、鍍液類型、沉積后處理等因素對(duì)涂層保護(hù)性能的影響。結(jié)果表明，在沉積前，對(duì)鈾表面進(jìn)行刻蝕處理，可以獲得更好的耐腐蝕效果。除了表面處理外，電鍍過程中的電鍍電流密度也會(huì)影響涂層的性能，Jiang等[22]研究了電鍍電流密度對(duì)鈾表面Al涂層性能的影響，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電鍍電流密度為20 mA/cm2時(shí)，制得的Al涂層的均勻性和致密性最好，與金屬鈾相比，電鍍Al涂層后的腐蝕電流密度降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)(圖2)[22]，顯著提高了鈾的耐腐蝕性。此外，Al涂層的腐蝕電位與鈾相近，這在很大程度上降低了電偶腐蝕。

圖2 鈾和Al涂層鈾的動(dòng)電位極化曲線[22]Fig.2 Potentiodynamic polarization curves of U and Al coatings[22]

單一電鍍涂層材料往往具有較高的孔隙率，難以為金屬鈾提供長(zhǎng)期有效的防護(hù)，而通過結(jié)合各種單層涂層的優(yōu)點(diǎn)制備多層復(fù)合涂層可以改善這一缺點(diǎn)。Ni+Zn復(fù)合鍍層結(jié)合了電鍍Ni和電鍍Zn的各自優(yōu)點(diǎn)，涂層性能較佳，近年來應(yīng)用較廣，但其電鍍液一般為含氰堿性溶液，容易造成環(huán)境污染。柏艷輝等[23]開發(fā)了一種在無氰堿性鍍鋅液中電沉積Zn鍍層的方法，為解決這一問題提供了思路。他們發(fā)現(xiàn)，單一Ni涂層雖然大大降低了鈾合金的腐蝕速率，但是在12 d后腐蝕速率開始上升；而Ni+Zn復(fù)合鍍層具有更低的平均腐蝕速率，且在12 d后仍保持穩(wěn)定(圖3)[23]。這是由于隨著腐蝕的進(jìn)行，腐蝕液穿過涂層中的孔隙到達(dá)基底，單一的Ni鍍層的腐蝕電位高于基底造成了局部電偶腐蝕，導(dǎo)致腐蝕加快；而當(dāng)Ni+Zn復(fù)合鍍層的膜層受到破壞后，鉻酸鹽鈍化膜表現(xiàn)出一定的自修復(fù)能力，保護(hù)了膜層的完整性。

圖3 鈾合金表面分別電鍍Ni單層和Ni/Zn復(fù)合層后腐蝕速率隨時(shí)間的變化[23]Fig.3 Change of corrosion rate with time after electroplating Ni layer and Ni/Zn composite layer on uranium alloy surface[23]

目前鈾防腐電鍍涂層需要克服的問題有：孔隙率較高，導(dǎo)致其在長(zhǎng)期腐蝕環(huán)境中，防腐性能下降較快；表面結(jié)合力差，涂層易脫落。針對(duì)以上幾點(diǎn)問題，目前常用的解決方法有：通過添加合金元素和制備復(fù)合涂層消除微孔或通過脈沖電鍍代替直流電鍍，提高涂層的致密性，來降低涂層的孔隙率[24]；通過電化學(xué)方法蝕刻鈾表面，以產(chǎn)生粗糙化效應(yīng)，增加鈾和表面涂層的結(jié)合力[25]。電鍍液的廢液處理也需要重視，有污染的電鍍廢液應(yīng)該及時(shí)處理，此外，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步開發(fā)無污染的電鍍工藝。

3.3 離子注入技術(shù)

在高壓電場(chǎng)下，將特定的離子注入到所需工件表層的方法稱為離子注入技術(shù)。與離子鍍相比，離子注入技術(shù)在鈾的防腐方面具有設(shè)備成本低、對(duì)鈾及其合金的原有性能影響小、鍍層與基體之間沒有明顯的界面等優(yōu)勢(shì)。

國(guó)外于20世紀(jì)60年代率先開始研究離子注入技術(shù)在鈾防腐方面的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)也于20世紀(jì)80年代開展了相關(guān)研究，到如今，離子注入被證明是一種有效的鈾防腐蝕技術(shù)。目前關(guān)于C+、N+的注入報(bào)道較多，效果較好。Long等[26]將N+注入鈾表面得到了具有良好耐蝕性的改性層，改性層均勻致密，在大氣環(huán)境下放置5個(gè)月后，離子注入改性的鈾表面幾乎沒有產(chǎn)生腐蝕。在濕熱環(huán)境下放置3個(gè)月后，未改性的金屬鈾表面嚴(yán)重腐蝕，而離子注入改性的鈾表面仍保持著金屬光澤，改性層結(jié)構(gòu)完好。他們對(duì)N+注入前后鈾的表面進(jìn)行了X射線光電子能譜(X-ray photoemission spectroscopy，XPS)表征，結(jié)果顯示(圖4)[26]，N+注入前，鈾表面的氧主要來自532.4 eV峰位對(duì)應(yīng)的羥基；530.9 eV附近的金屬氧化物以及535.2 eV峰位對(duì)應(yīng)的少量吸附水，530.0 eV峰位對(duì)應(yīng)的游離氧很少。將N+注入樣品表面后，鈾表面的氧主要來自于530.0 eV峰位對(duì)應(yīng)的游離氧。在潮濕的環(huán)境中，鈾的腐蝕速率比在干燥的環(huán)境中要大得多，其原因之一是表面金屬氧化物中的水分子和氧原子通過氫鍵結(jié)合，水解產(chǎn)生羥基，而N+的注入破壞了這一過程。由于鈾表面附近的N+濃度高，導(dǎo)致表面的氧腐蝕產(chǎn)物中水分子和氧原子形成氫鍵的機(jī)會(huì)減少，從而降低了鈾表面吸附水和羥基的含量，提高了鈾的耐腐蝕性能。Nelson等[27]將C+注入多晶鈾中，發(fā)現(xiàn)C+的注入可產(chǎn)生物理和化學(xué)修飾的表面層，防止空氣進(jìn)一步氧化和腐蝕。飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜深度剖面分析結(jié)果顯示，UC層厚約200 nm，其表面還有一層鈾氧化物表面層，而鈾基底與UC層之間的過渡界面幾乎沒有殘余氧化物。

圖4 金屬鈾表面的O1s光譜[26]：(a)離子注入前，(b)離子注入后Fig.4 O1s spectra of uranium[26]： (a) before ion implantation, (b) after ion implantation

目前離子注入技術(shù)面臨的最大問題是改性層較淺，且注入晶體材料時(shí)容易破壞晶格，不利于長(zhǎng)期耐蝕[28-30]。為了改善這一缺點(diǎn)，將離子注入與表面熱處理相結(jié)合是一種可行的辦法，但仍需進(jìn)一步研究。

3.4 物理氣相沉積技術(shù)

物理氣相沉積技術(shù)是在真空條件下，采用物理方法，將材料源在真空中蒸發(fā)成原子、分子或離子，然后在基底表面凝聚形成所需涂層的技術(shù)。離子鍍和脈沖激光都屬于物理氣相沉積技術(shù)，常用來沉積鈾的防腐涂層。

3.4.1 離子鍍技術(shù)

離子鍍的概念在20世紀(jì)60年代被首次提出，該技術(shù)是在真空條件下，在放電電場(chǎng)作用下使部分氣體或蒸發(fā)物質(zhì)被電離，帶正電荷的高能蒸發(fā)料的粒子在高壓陰極吸引下，沉積到工件表面，逐漸堆積形成一層牢固的涂層。在眾多離子鍍技術(shù)中，應(yīng)用最廣且最常見的是電弧離子鍍和磁控濺射離子鍍。

電弧離子鍍是通過向靶通以電流，在靶表面產(chǎn)生電弧，融化靶材，在產(chǎn)品上加以偏壓，從而把融化的靶材沉積在產(chǎn)品表面形成鍍層。其中多弧離子鍍沉積效率高、鍍膜效果好[31]。劉天偉等[32]利用多弧離子鍍技術(shù)在鈾表面成功制備了Ti/TiN多層涂層，SEM照片顯示(圖5)[32]，初始直流偏壓為-100 V時(shí)，晶粒之間存在較明顯的缺陷；在-500 V脈沖偏壓下，晶粒間的缺陷得到改善，涂層的致密性增加；當(dāng)偏壓增加到-800 V時(shí)，柱狀晶粒變得更細(xì)小、致密，層與層間的界面幾乎消失，電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)表明，此時(shí)的涂層具有最好的防腐性能。

圖5 不同偏壓下電弧離子鍍制備的樣品的斷面形貌SEM照片[32]：(a)-100 V，(b)-500 V， (c)-600 V，(d)-800 VFig.5 Cross section SEM images of samples with different bias voltages[32]: (a)-100 V, (b) -500 V, (c) -600 V, (d) -800 V

磁控濺射能對(duì)多種金屬進(jìn)行濺射沉積，比較容易控制膜厚和顏色，膜層致密性好，膜層厚度相對(duì)均勻，膜層與基體之間結(jié)合力高，但沉積時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，膜層耐磨性不如多弧離子鍍。近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)磁控濺射鍍膜在鈾防腐方面的應(yīng)用展開了大量的研究，除了傳統(tǒng)的直流磁控濺射(direct current magnetron sputtering，DCMS)技術(shù)，還相繼開發(fā)了脈沖偏壓磁控濺射、高功率脈沖磁控濺射(high power impulse magnetron sputtering，HPPMS)等技術(shù)。王慶富等[33]采用脈沖偏壓磁控濺射技術(shù)在鈾表面成功制備了具有優(yōu)異耐腐蝕性能的Al涂層，電化學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，與鈾相比，Al涂層的腐蝕電流密度下降了2個(gè)數(shù)量級(jí)，阻抗幅值上升了3個(gè)數(shù)量級(jí)，即便腐蝕24 h后，Al涂層的腐蝕電流密度仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鈾。Ding等[34]分別采用DCMS和HPPMS在鈾表面沉積了TiN涂層。結(jié)果表明，由于HPPMS沉積過程中的高能量密度，HPPMS沉積的TiN涂層在表面粗糙度、力學(xué)性能、磨損性能、結(jié)合強(qiáng)度和耐蝕性等方面均優(yōu)于DCMS沉積的TiN涂層。

離子鍍技術(shù)的成膜質(zhì)量好，鍍膜工藝可調(diào)節(jié)性高，在制備鈾的防腐涂層方面有著較大的應(yīng)用潛力。目前僅有少數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道了制備參數(shù)對(duì)鈾防腐涂層性能的影響，未來應(yīng)重視鍍膜工藝參數(shù)的調(diào)控，通過優(yōu)化工藝參數(shù)制備最佳性能的鈾防腐涂層。

3.4.2 脈沖激光沉積

脈沖激光沉積也是一種多用途的物理氣相沉積技術(shù)，用于沉積各種材料的薄膜[35]。與離子注入相比，脈沖激光沉積具有高重復(fù)性、高度自動(dòng)化以及精確的沉積速率等優(yōu)點(diǎn)[36, 37]，有利于放射性材料的鈍化。

鈾及其合金的腐蝕嚴(yán)重制約了其工程應(yīng)用。表面改性是抑制鈾腐蝕的主要方法。然而，由于鈾冶煉凈化后表面仍存在許多夾雜物，在這些夾雜物周圍腐蝕點(diǎn)更易形核，破壞了防護(hù)涂層的完整性，甚至導(dǎo)致失效，因此去除鈾表面殘留的夾雜物十分重要。脈沖激光技術(shù)是去除這些夾雜物的有效方法。Chen等[38]采用納秒脈沖激光輻照鈾表面以降低表面夾雜物的含量。通過改變激光能量和掃描速度，研究了實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)凈化效果的影響。用電化學(xué)極化試驗(yàn)測(cè)試了激光處理前后鈾的耐蝕性。結(jié)果表明，隨著激光能量密度的增加和激光脈沖數(shù)的增加，鈾表面熔融金屬的覆蓋率增加，殘余不完全覆蓋率降低，表面雜質(zhì)含量降低，從而達(dá)到了凈化目的。激光處理后，鈾表面的夾雜物大部分被去除或覆蓋，經(jīng)表面凈化處理的貧化鈾樣品的耐蝕性極大提高(圖6)[38]。

圖6 納秒脈沖激光去除小尺寸夾雜物的示意圖[38]Fig.6 Schematic diagram of small size inclusion removal by nano-second pulsed laser[38]

近年來，脈沖激光技術(shù)在鈾表面滲氮、防腐涂層制備方面的應(yīng)用也被大量報(bào)道。Zhang等[39]第一次用準(zhǔn)分子激光將鈾金屬氮化，在鈾表面形成了UN層，XPS分析表明，氮已經(jīng)擴(kuò)散到基體內(nèi)部，而氧只存在于表面。常溫和濕熱腐蝕試驗(yàn)表明，氮化樣品具有良好的耐蝕性。Zhong等[40]在CH4和N2的分壓比分別為1∶2、1∶1和2∶1的混合氣氛中，用脈沖激光輻照鈾表面，成功制備了提高鈾的耐蝕性和表面硬度的UCxNx固溶體改性層。Singh等[41]用脈沖激光技術(shù)成功地在表面粗糙的不銹鋼基體上沉積了氧化鋁涂層，研究發(fā)現(xiàn)，氧化鋁涂層具有良好的致密性、均勻性、與基體的附著力以及優(yōu)異的耐腐蝕性，可能適用于鈾的防腐。

目前脈沖激光技術(shù)應(yīng)用于鈾表面腐蝕防護(hù)還存在如下問題：對(duì)于大面積均勻涂層的沉積，脈沖激光技術(shù)應(yīng)用較為困難[42]；此外，沉積過程中的飛濺效應(yīng)導(dǎo)致在沉積膜中存在宏觀顆粒[43]。有研究表明，通過外部等離子體源增強(qiáng)脈沖激光可以有效地降低飛濺效應(yīng)[44]。

4 結(jié) 語

金屬鈾因具有獨(dú)特的核性能成為各國(guó)研究者們關(guān)注的重點(diǎn)，由于活潑的化學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致鈾在實(shí)際應(yīng)用中極易被腐蝕，經(jīng)過科研人員的不斷嘗試與研究，目前已開發(fā)出包括合金化、電鍍、離子注入、離子鍍等在內(nèi)的鈾表面防腐技術(shù)。其中，傳統(tǒng)的電鍍以及合金化防腐仍存在著諸多問題。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[22]，目前的鈾合金的耐蝕性能遠(yuǎn)不能滿足金屬鈾的正常使用需求，往往需要在合金化的基礎(chǔ)上制備防腐涂層以達(dá)到預(yù)期效果，而電鍍技術(shù)的污染問題也難以得到有效解決。

相比之下，離子注入和離子鍍技術(shù)近年來報(bào)道較多[26, 30, 38]，且制備的防腐涂層效果更佳，在金屬鈾表面防腐技術(shù)的未來發(fā)展中具有更大的潛力。盡管如此，尋找一種防腐性能更好的鈾的耐蝕涂層仍然是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的課題。

未來對(duì)鈾的腐蝕防護(hù)研究可以考慮在以下幾個(gè)方面開展：

(1)通過結(jié)合各種防腐技術(shù)的優(yōu)勢(shì)來改善單個(gè)技術(shù)存在的問題，開發(fā)出一種新的復(fù)合技術(shù)來提高鈾的防腐性能是一種可行的方法。

(2)高功率脈沖磁控濺射(high power impulse magnetron sputtering，HPPMS)作為近年來沉積涂層的研究熱點(diǎn)[45]，與傳統(tǒng)的物理氣相沉積方法相比，所沉積的涂層缺陷較少，有益于提高防腐性能。已有的報(bào)道表明[46]，HPPMS在制備防腐涂層領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，是制備高性能鈾防腐涂層的潛在方法，值得進(jìn)一步研究。

(3)由于鈾氫腐蝕的特性，鈾作為儲(chǔ)氫材料潛力巨大，未來應(yīng)該進(jìn)一步研究鈾在儲(chǔ)存氫方面的應(yīng)用，驗(yàn)證其作為儲(chǔ)氫材料的可行性。