鈾上激光輔助化學(xué)氣相沉積鋁薄膜研究

　　為了防止金屬鈾的腐蝕，本文采用激光輔助化學(xué)氣相沉積在鈾上制備了鋁薄膜。采用掃描電鏡、X射線衍射、俄歇電子探針分析了薄膜的形貌、物相以及界面特性，并采用電化學(xué)極化曲線對(duì)薄膜的抗腐蝕性能分析。結(jié)果表明，無激光輻照CVD沉積鋁薄膜呈微球狀，激光輻照后形成了鋁薄膜。激光能量低于100mJ所形成的鋁薄膜致密、平整、光滑。較高能量下，薄膜出現(xiàn)火山坑形貌，粗糙度增加。界面處存在UAl2以及UAl3相，且界面處鋁以及鈾元素成分呈梯度變化。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)表明:鈾上激光CVD鋁具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，抗腐蝕性能的提高源于薄膜的致密性提高以及界面處形成了鈾鋁化合物。

　　鈾是重要的核材料，易遭受腐蝕導(dǎo)致性能降低。其較強(qiáng)的放射性以及活性增加了表面改性的難度。目前在鈾上應(yīng)用較多的是物理氣相沉積技術(shù)以及離子注入技術(shù)等，(如磁控濺射沉積鋁薄膜、多弧離子鍍沉積鈦/氮化鈦薄膜等)。物理氣相沉積(PVD)技術(shù)的缺點(diǎn)是薄膜和基底之間存在膜-基界面，薄膜容易發(fā)生剝落、鼓泡等現(xiàn)象導(dǎo)致鍍層失效。另外薄膜本身可能存在微孔、針孔，成為腐蝕性氣體的擴(kuò)散通道。腐蝕性氣體擴(kuò)散到膜基界面與活潑的鈾基底反應(yīng)，也會(huì)導(dǎo)致鍍層剝落失效。離子注入克服了鍍層技術(shù)膜基界面問題，但是其注入溫度比較高，會(huì)引起薄壁件變形，對(duì)鈾合金而言相當(dāng)于一次退火，破壞了原有的熱處理工藝。同時(shí)較高的溫度引起鈾等材料與真空室內(nèi)殘存的氧發(fā)生反應(yīng)生成較厚的氧化物薄膜，從而影響防腐蝕效果。這些技術(shù)還存在一個(gè)共同的弱點(diǎn)是真空室非常復(fù)雜，不利于維護(hù)以及防護(hù)。

　　化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)是把氣相前驅(qū)物以及反應(yīng)氣體加溫分解、化合反應(yīng)生成固態(tài)產(chǎn)物沉積在樣品表面[8]。該技術(shù)有別于物理氣相沉積，具有設(shè)工件形狀要求低，容易維護(hù)以及防護(hù)等特點(diǎn)，適合強(qiáng)放射性材料處理。但是其也有膜-基界面，鍍層也存在鼓泡、剝落等問題。并且鍍層中也可能存在有針孔以及微孔，影響抗腐蝕性能，有必要加以改進(jìn)。激光特別是脈沖激光具有平均功率小，作用深度淺(微米量級(jí))，能從真空室外引入等優(yōu)點(diǎn)，在不改變?cè)�有主體技術(shù)、工藝、設(shè)備的情況下進(jìn)行改進(jìn)。本文采用激光輔助CVD在鈾表面沉積金屬薄膜，嘗試克服化學(xué)氣相沉積以上弱點(diǎn)，但保持CVD設(shè)備簡(jiǎn)單易于防護(hù)的特點(diǎn)。首先利用激光表面加熱功能使薄膜與基底實(shí)現(xiàn)合金化消除膜-基界面；其次利用激光加熱對(duì)薄膜進(jìn)行重融實(shí)現(xiàn)致密化，消除針孔、微孔。以上過程同步進(jìn)行，激光多次掃描使薄膜在整個(gè)表面沉積，多次掃描加熱使薄膜致密化，直到生長出一定厚度薄膜。

1、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

　　1.1、樣品制備

　　在脈沖激光濺射沉積系統(tǒng)上，通過加裝激光掃描器以及CVD進(jìn)樣系統(tǒng)建立了激光CVD系統(tǒng)。激光掃描器為龍門機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，三個(gè)方向軸上裝有激光反射鏡，激光能夠在X、Z兩個(gè)方向上進(jìn)行面掃描，掃描面積70mm×70mm，Y方向上進(jìn)行前后調(diào)節(jié)控制激光焦距。最后一級(jí)反射鏡后裝有焦距1m的聚焦透鏡，焦點(diǎn)位于樣品臺(tái)上。進(jìn)樣系統(tǒng)采用油浴加熱CVD源灌，氬氣作為載氣帶動(dòng)CVD源氣體進(jìn)入真空室。載氣流量采用質(zhì)量流量計(jì)控制，起初源氣體以及載氣混合氣體也采用質(zhì)量流量計(jì)控制。激光窗口正對(duì)樣品臺(tái)，樣品臺(tái)能夠前后調(diào)節(jié)以保持激光聚焦性質(zhì)。鋁薄膜沉積采用二甲基氫化鋁(DMAH)作為鋁源。金屬鈾加工成Φ15mm×3mm的小樣品，水砂紙逐級(jí)打磨表面至500#，清洗吹干后放入CVD真空室。激光CVD實(shí)驗(yàn)在經(jīng)過改造的激光CVD實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。激光器為Compexpro201型KrF準(zhǔn)分子激光器，激光波長248nm。真空為直徑300mm球形真空室，實(shí)驗(yàn)本底真空為5×10-4Pa。脈沖激光經(jīng)過4次反射聚焦在樣品表面。激光掃描器沿X方向掃描，每掃描一行后，然后掃描第二行。通過大量的探索實(shí)驗(yàn)，確定DMAH源的溫度為28℃，激光掃描速率為2.1mm/s，激光脈沖頻率為10Hz。通過Ar作為載氣，調(diào)節(jié)激光脈沖能量以及沉積溫度等參數(shù)進(jìn)行不同工藝沉積實(shí)驗(yàn)。

表1 激光輔助CVD實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

　　1.2、分析方法

　　(1)薄膜表面形貌采用KYKY-1010B型掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀察。表面物相分析在Philips公司X'PertPro型X射線衍射(XRD)儀測(cè)定表面物相，X'PertPro型XRD儀的工作條件為:CuKα射線，步長0.03°，積分時(shí)間0.5s。

　　(2)電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)在PARSTAT2263DC+AC一體化電化學(xué)綜合測(cè)試儀系統(tǒng)上進(jìn)行，樣品為工作電極，飽和甘汞電極為參比電極，高純石墨棒為輔助電極，電化學(xué)腐蝕介質(zhì)為3.5%(質(zhì)量比)的氯化鈉溶液，溫度為室溫。動(dòng)電位極化的電位掃描范圍為-50～+800mV(相對(duì)腐蝕電位)，掃描速度為2mV/s。

　　(3)PHI650SAM俄歇譜儀剖析鍍層界面元素分布。俄歇電子能譜(AES)分析參數(shù):超高真空室背底真空度優(yōu)于3×10-7Pa，激發(fā)電子能量3keV、能量分辨率0.25%、電子能量掃描步長0.2eV、電子束流150nA，譜儀采用同軸鏡筒分析器。Ar+濺射參數(shù):離子能量4keV、濺射面積1mm×1mm、離子束流2.4μA。

3、結(jié)論

　　(1)無激光輻照CVD沉積鋁薄膜呈微球狀，激光輻照后形成了鋁薄膜。激光能量低于100mJ所形成的鋁薄膜致密、平整、光滑。較高能量下，薄膜出現(xiàn)火山坑形貌，粗糙度增加；

　　(2)鋁以及鈾的界面發(fā)生了合金化，存在UAl2以及UAl3相，且界面處Al以及鈾元素成分呈梯度變化；

　　(3)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)表明鈾上激光CVD鋁具有優(yōu)異的抗腐蝕性能，抗腐蝕性能的提高源于薄膜的致密性提高以及界面處形成了鈾鋁化合物。