αAl2O3保护层可粘附在金属表面具有锚和钉的功能

聚变反应堆、快中子增殖反应堆和太阳能热电厂正在被开发为对环境影响较小且无资源限制的发电厂。由于这些发电厂在高温下运行，传热量大，科学家们正在研究使用液态金属(具有优异的传热性能)作为冷却剂的组件。液态金属包层(安装在堆芯中的金属壁)和液态金属偏滤器(接收热量并排出废气)是聚变反应堆最重要的组成部分，作为创新的能量转换装置而受到关注。然而，选择与高温液态金属化学相容的结构材料一直是一个挑战。

东京工业大学的Masatoshi Kondo副教授采用液态金属冷却剂，并利用领先的结构材料对其耐化学腐蚀性进行了研究。他发现腐蚀的原因是与液态金属接触的材料中金属成分的浸出以及液态金属与钢铁材料的合金化。在这种情况下，他发现通过在液态金属部件的结构材料表面形成致密的保护性氧化层可以显着减少腐蚀。形成稳定的保护性氧化层来抑制这种腐蚀是使液态金属部件成为现实的关键。

由近藤副教授领导的联合研究小组与横滨国立大学和国立融合科学研究所合作，重点研究了氧化物弥散强化(ODS)FeCrAl合金形成α-Al 2 O 3(α氧化铝)层的事实由致密的结构组成，并确定了可以促进层生长的因素以及使层抵抗从基材剥离的机制。

α-Al 2 O 3层在高温液态金属环境中提供出色的保护。ODS Fe15Cr7Al合金具有优异的高温强度，是下一代电厂强有力的潜在结构材料。该合金可在1000℃空气中氧化10小时，形成α-Al 2 O 3层。图1显示了α-Al 2 O 3的横截面显微镜图像ODS Fe15Cr7Al合金上形成的层及其组成元素的分布。虽然它的厚度只有1.28微米，约为人类头发厚度的1/80，但其结构极其致密，铝和氧分布均匀，如图1(b)所示。同时，团队发现α-Al 2 O 3中形成了Ti、Y、Zr等活性元素的氧化物。层，如图1(c)所示。这是因为 ODS Fe15Cr7Al 合金在其微观结构中以微小氧化物颗粒形式分散的反应元素已迁移到层中形成氧化物。对几种FeCrAl合金形成的氧化物层的显微组织和生长速率的比较表明，不含活性元素的合金不会在层中形成这些氧化物，并且它们的层生长缓慢。这些活性元素的细长氧化物充当“纯氧扩散路径”，促进层生长并提高阻隔性能(图 2)。

保护层必须能够抵抗剥落。在这项研究中，研究小组对ODS-FeCrAl合金上形成的α-Al 2 O 3层进行了划痕测试，以测量用锋利的针划伤和剥离该层所需的力的大小。结果表明ODS-FeCrAl合金具有优异的结合性能。图 2 总结了 α-Al 2 O 3层抗剥落的机制。首先，从基材向该层形成的活性元素的氧化物紧紧抓住该层的微观结构，就像用于固定帐篷，并有助于提高粘合强度。这称为挂钩效应。

α-Al 2 O 3层与基底之间形成了具有锯齿状结构的不稳定界面，如图3(a)所示，随着层变厚，该锯齿状界面的深度加深。此外，如图3(b)所示，锯齿状界面越深，剥离α-Al 2 O 3所需的剪切应力越大层数越多，即层间附着力越强。在具有上述氧扩散路径的图案中，以适度不均匀的方式促进层生长，导致更深的锯齿状界面和更强的锚定效应。还有其他通过溶液形成氧化物和其他层的方法，但与此类方法相比，本研究中形成的层具有更强的附着力，并且可以承受液态金属的流动，且结构致密。

紧凑、抗剥离屏障技术的发展为延长液态金属部件(例如液体覆盖层和偏滤器)的使用寿命提供了广阔的前景。液态金属技术在聚变反应堆等先进发电厂以及海水淡化和环境净化技术中的应用预计将促进碳中和社会的创建。

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