[发明专利]一种细晶粒碳化硅包覆层的制备方法

说明书

本发明涉及一种细晶粒碳化硅包覆层的制备方法，包括如下步骤：S1，提供基底；S2，在流化床化学气相沉积装置中，将温度设定为1150‑1250℃，通入甲基三氯硅烷蒸汽，载带气体为氢气与氩气混合气，得到包覆在基底上的碳化硅层，其中，氢气在载带气体中的体积分数占比为12％‑18％；S3，在氩气环境和1400‑1600℃下高温退火，得到致密的细晶粒碳化硅包覆层。根据本发明的细晶粒碳化硅包覆层的制备方法，不涉及反应气体丙烯，从而避免了现有技术中的丙烯所引入的碳杂质。实际上，本发明通过降低温度并调整载带气体，也不会引入相应的硅杂质，从而得到细晶化的纯相β‑SiC包覆层。

技术领域

本发明涉及核材料制备技术领域，更具体地涉及一种细晶粒碳化硅包覆层的制备方法。

背景技术

包覆燃料颗粒由于其固有的安全性，在超高温气冷堆、熔盐堆、小型模块化反应堆等第四代反应中有广泛的应用前景。包覆燃料颗粒分别由燃料核芯、疏松热解炭层(buffer)、内致密热解碳层(IPyC)、碳化硅层(SiC层)和外致密热解碳层(OPyC)组成。其中SiC层具有耐中子辐照、耐核裂变产物腐蚀、高温热力学性能良好的特性，因此SiC是包覆颗粒的关键结构层。不但用来阻挡裂变气体和金属裂变产物向外扩散，还具有承受载荷的作用，是反应堆安全的第一道屏障。

研究表明：细晶粒的SiC包壳能有效提高其力学性能，显著降低裂变产物Ag扩散和Pd的化学侵蚀。因此针对包覆颗粒，在近几年提出的制备亚微米级晶粒(100nm-1μm)的SiC包壳是最有效最直接提升SiC包壳性能的方法。目前制备细晶粒SiC包覆层的方法通常为在反应气体中加入丙烯，以丙烯高温下裂解产生的碳作为异质形核的方式来降低SiC层的晶粒尺寸。然而，此方法易于在SiC包覆层中引入碳杂质，降低SiC层纯度。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种细晶粒碳化硅包覆层的制备方法。

本发明所述的细晶粒碳化硅包覆层的制备方法，包括如下步骤：S1，提供基底；S2，在流化床化学气相沉积装置中，将温度设定为1150-1250℃，通入甲基三氯硅烷蒸汽，载带气体为氢气与氩气混合气，得到包覆在基底上的碳化硅层，其中，氢气在载带气体中的体积分数占比为12％-18％；S3，在氩气环境和1400-1600℃下高温退火，得到致密的细晶粒碳化硅包覆层。

其中，碳化硅层的结构受反应温度、载带气体组成和退火温度影响，通过调整工艺参数，可以得到晶粒尺寸小于1微米(例如在150-250nm之间)的细晶化的纯相β-SiC包覆层，即，通过将沉积温度选择为1150-1250℃，同时将氢气在载带气体中的体积分数占比选择为12％-18％，并且将退火温度选择为1400-1600℃，可以获得致密的细晶粒碳化硅包覆层。具体地，本申请通过将沉积温度降低至1150-1250℃，使得原子表面迁移率较低，从而得到晶粒较小的碳化硅；对于温度降低所带来的反应不完全的问题，本申请通过将氢气在载带气体中的体积分数占比选择为12％-18％，利用氢气来抑制反应不完全所产生的SiCl₂等硅烷类杂质，从而消除碳化硅层中的硅杂质；对于温度降低所带来的结晶性较差的问题，本申请通过将退火温度选择为1400-1600℃，从而消除晶体中的缺陷，提高结晶性。实际上，本申请的步骤S2中的甲基三氯硅烷在反应生成SiC的过程中，首先分解为CH₄，CH₃Cl，C₂H₄等含碳中间产物，SiCl₂，SiCl₄，HSiCl₃等含硅中间产物，这些中间产物再进一步反应生成SiC的分解，通过将氢气在载带气体中的体积分数占比选择为12％-18％，可以影响反应过程中的中间产物的分解，使得反应过程中的含硅中间产物的量降低，从而使得硅杂质无法形成。而且，本申请的步骤S3中的退火温度同样考虑了包覆层的纯度，因为β-SiC在高于1600℃的温度下易转变为α-SiC。