梁威：2018年清华大学优秀博士学位论文二等奖获得者

金属铈表面氮化物薄膜制备及其抗腐蚀性能研究

Study on the Preparation and Nticorrosion Properties of Nitride Films on Cerium Surface

研究背景/选题意义/研究价值

铀是一种十分重要的战略核能源材料，广泛应用于民用核能和国防领域。由于其具有特殊的价电子结构，化学性质十分活泼，服役若干年后库存部件出现老化腐蚀等问题，腐蚀到一定程度会造成产品报废并危及人员安全，因此解决其老化腐蚀问题是当前库存武器面临的重要课题之一。

由于铀和钚具有高放射性、极强的化学毒性和化学活泼性，而金属铈具有与其相近似的电子层结构，化学性质比钚还要活泼，且无放射性，因此本文利用金属铈模拟研究铀、钚的腐蚀行为和防腐蚀方法，从而为锕系元素材料腐蚀防护提供了借鉴和参考，为解决库存武器老化腐蚀问题提供了技术支撑，具有重要的研究价值和军事意义。

主要研究内容

1. 利用双离子束溅射沉积系统通过反应溅射和氮化处理在Ce表面制备形成了CeN薄膜。研究发现CeN薄膜本身不稳定，故单纯进行表面氮化并不能有效提升Ce的耐腐蚀性能。因此在氮化处理后的样品表面再进一步沉积惰性氮化钛（TiN）陶瓷层，即在Ce表面制备形成了CeN/TiN双层复合膜，研究表明这种复合膜可以有效提高Ce的抗腐蚀性能，但是长期贮存镀层容易起泡脱落而失效。

2. 在Ce表面先沉积制备Ti作为过渡层，再沉积TiN惰性层，形成Ti/TiN双层复合膜，并调控获得了不同厚度比例的Ti/TiN双层复合膜。研究表明，在Ce和TiN之间引入Ti作为过渡层，可以大幅提升了样品的抗腐蚀等性能；在膜层总厚度为400nm时，调控获得的200nmTi/200nmTiN复合膜抗腐蚀等性能最优。

极化曲线

动电位极化曲线测试分析表明，氮化铈/氮化钛双层复合膜抗腐蚀性能相对于金属铈、氮化钛单层膜等有较大幅度提高。

Nyquist图

阻抗谱测试分析表明，调控获得的200nmTi/200nmTiN双层复合膜抗腐蚀等性能最优。

主要创新点

1. 单纯在铈表面进行反应溅射和氮化处理形成的CeN薄膜并不能有效提高铈的抗腐蚀性能，进一步制备CeN/TiN双层复合膜可大幅提升金属铈的抗腐蚀性能，但是长期贮存容易起泡脱落而失效；

2. 进一步设计提出了以Ti为过渡层的Ti/TiN双层复合膜，Ti增加了TiN和Ce之间的相容性和匹配性，大幅提高金属铈的抗腐蚀等性能，其中200nmTi/200nmTiN双层复合膜抗腐蚀性能最优；

3. 利用氦离子辐照在Ti/TiN双层复合膜及金属铈基体内引入定量的氦杂质，其晶体结构等未见明显变化、膜基结合力有一定提高，抗腐蚀性能有一定降低，但是影响不明显。

代表性学术发表

1. Corrosion resistance and mechanism of CeN, TiN and CeN/TiN bilayer composite film deposited by dual ion beam sputtering. Surface & Coatings Technology, 2017, 335. （SCI, IF=2.589）

2. Improved irradiation tolerance of reactive gas pulse sputtered TiN coatings with a hybrid architecture of multilayered and compositionally graded structures. Journal of Nuclear Materials, 2017, 501. （SCI, IF=2.048）

3. Amorphization of cerium mononitride during oxidization characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy, x-ray diffraction and x-ray photoelectron spectroscopy. Surface Review and Letters 2018:1850180. （SCI, IF=0.491）

4. Mechanical properties and structure evolution of single-crystalline silicon irradiated by 1 MeV Au+ and Cu+ ions. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B, 2018, 423:75-81. （SCI, IF=1.389）