一种石墨烯修饰高熵合金中子靶及其制备方法

本发明涉及中子靶，具体地，涉及一种石墨烯修饰高熵合金中子靶及其制备方法。

背景技术：

1、核聚变能源以其高能量密度、低环境污染以及运行安全性等特性，已成为未来最具前景的清洁能源类型。其中，中子学性能的研究是实现聚变反应堆应用的核心技术之一，涉及到聚变反应堆的各个环节，如氚增值、材料的中子辐照损伤以及能量传输等。因此，在各个阶段的聚变研究中，都必须通过实验来验证材料及设计方案的中子学性能。在国际热核聚变实验堆（iter）项目中，包层材料在聚变中子环境下的辐照损伤、产氚率等研究是主要的研究方向。强流氘氚中子源是通过加速氘离子束轰击氚靶片，从而发生氘氚聚变反应产生14.1mev的聚变中子。

2、石墨烯是由碳原子通过sp²杂化键合形成的单层六边形蜂窝晶格，具有低成本、轻质量、高吸氢密度、高化学稳定性和高比表面积等优势。石墨烯能够吸附高达质量密度7.7%的氢气，具有极高的储氢容量，其高比表面积带来了优秀的散热效率。氢化石墨烯在加热到450℃时才开始放氢，这在一定程度上限制了储氢材料的应用。然而，中子靶材料需要较高的吸氢密度、放氢温度和散热效率，因此，石墨烯对于中子靶的应用具有极大的适应性。

3、高熵合金由于其组成原子尺寸的差异，具有晶格畸变和缓慢扩散效应。晶格畸变阻碍了位错运动，从而强化了材料的力学性能，使得镀膜和基底的结合更为牢固；缓慢扩散效应限制了相变的速率，使得容易获得过饱和态以及纳米相，阻止了薄膜制备时晶粒的长大，使得晶粒能够维持在纳米尺寸。部分元素相比于其他元素活性较低，不易迁移到空位，因此为氢原子提供了储存空间。例如，纯ti的储氢原子比上限为2，而tizrvnbhf等摩尔比高熵合金的储氢原子比可以达到2.5，通过石墨烯的改性，可以进一步提高储氢量。

4、中子管的中子产额受靶材料性能、离子源性能以及中子管内部的真空状态等多种因素影响。其中，靶材料是中子管和中子发生器中氘（或氚）原子核反应界面的关键组成部分。因此，靶材料的研究对于提升中子产额具有决定性的重要性。传统的靶材料如钛单质存在诸如脱落、高压击穿、脆性化合物析出、杂质离子降低吸附率以及环境污染等多种问题，这些问题严重制约了中子管的性能。随着钛膜吸氢量的增加，钛膜晶格畸变加剧，导致其自由能增大，最终引发其稳定性降低，出现短时间内急剧放氢的现象。因此，仅仅通过工艺手段提高钛膜的氢钛比并保持一定的稳定性，具有相当的困难度。此外，释氘（或氚）的温度是中子靶的关键指标，如果释放温度过低，会导致在未达到环境使用温度之前，靶就开始释放氘（或氚），这不仅降低了靶的使用性能，而且会改变装置的真空度，从而影响其使用寿命。目前，合金中子靶膜的释氘（或氚）温度最高可达到约150℃，这个水平仍然不够理想。因此，迫切需要研发出具有高产额、长寿命的中子靶，以满足高源强中子源的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决目前常用钛膜中子靶存在氢脆粉化、吸氢密度低、放氢温度低的问题，从而提供一种石墨烯修饰高熵合金中子靶及其制备方法，该石墨烯修饰高熵合金中子靶具有高吸氢密度及吸氢稳定性，高放氢温度，高散热效率，不易开裂粉化的优异特点，同时，该石墨烯修饰高熵合金中子靶的制备方法成本低，工艺简单。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种石墨烯修饰高熵合金中子靶，所述石墨烯修饰高熵合金中子靶包括依次排列的基底、缓冲层、储氘层和催化层；其中，

3、所述储氘层含有镁、钛、锆、钒、铌、铬和石墨烯；

4、所述储氘层的分子通式为mgatibzrcvdnbecrfcg；

5、所述储氘层各元素的原子浓度为15≤a≤35at%，15≤b≤35at%，5≤c≤35at%，5≤d≤20at%，5≤e≤20at%，5≤f≤20at%，1≤g≤10at%，且a+b+c+d+e+f+g＝100；

6、所述储氘层的厚度为1-10μm。

7、本发明第二方面提供了一种如第一方面所述的石墨烯修饰高熵合金中子靶的制备方法，所述制备方法包括：

8、s1：对基底进行预处理，将基底和各靶材安装在镀膜机内，真空处理，启动离子清洗；

9、s2：在保护气存在下，在基底上进行镀膜，镀膜顺序为缓冲层、储氘层和催化层；其中，

10、所述镀膜为储氘层时需同时通入氘气；

11、所述储氘层的靶材为石墨烯靶和高熵合金靶；

12、所述高熵合金靶含有镁、钛、锆、钒、铌和铬；

13、所述储氘层中镁、钛、锆、钒、铌、铬和碳的原子浓度分别为15≤镁≤35at%，15≤钛≤35at%，5≤锆≤35at%，5≤钒≤20at%，5≤铌≤20at%，5≤铬≤20at%，1≤碳≤10at%。

14、在上述技术方案中，本发明通过将目前具有高吸氢密度的高熵合金材料引入吸氢中子靶中，高熵合金拥有的缓慢扩散效应限制了相变的速率，比较容易获得过饱和态以及纳米相，阻碍薄膜制备时晶粒长大，使晶粒维持在纳米尺寸，利用高熵合金材料的晶格畸变阻碍位错运动强化材料力学性能，使中子靶的镀膜和基底结合更牢固；同时加入石墨烯对高熵合金材料进行催化改性以进一步提高其吸氢密度以及吸氢稳定性，进一步，由于石墨烯的高比表面积特性，使本发明的石墨烯修饰高熵合金中子靶表现出高放氢温度，高散热效率，不易开裂粉化的优异特点。

15、同时，本发明的石墨烯修饰高熵合金中子靶使用磁控溅射镀膜制备具有低成本和操作简单的优点，同时氩气氘气混合气可以一步制备储氘石墨烯修饰高熵合金中子靶，不需经过高温高压活化。

16、进一步，本发明的石墨烯修饰高熵合金中子靶具有高产额、长寿命的特点，可以满足高源强中子源需求。

17、本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种石墨烯修饰高熵合金中子靶，其特征在于，所述石墨烯修饰高熵合金中子靶包括依次排列的基底、缓冲层、储氘层和催化层；其中，

2.根据权利要求1所述的石墨烯修饰高熵合金中子靶，其特征在于，所述基底为铜和/或钼。

3.根据权利要求1或2所述的石墨烯修饰高熵合金中子靶，其特征在于，所述缓冲层选自铂、钯和金中的一种或两种以上；和/或，

4.根据权利要求1或2所述的石墨烯修饰高熵合金中子靶，其特征在于，所述催化层选自铂、钯和金中的一种或两种以上；和/或，

5.一种如权利要求1-4中任意一项所述的石墨烯修饰高熵合金中子靶的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述基底为铜和/或钼；和/或，

7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述真空处理包括：真空度<1pa；和/或，

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述保护气为氩气；和/或，

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述镀膜工艺为磁控溅射镀膜工艺。

技术总结本发明提供了一种石墨烯修饰高熵合金中子靶及其制备方法，所述石墨烯修饰高熵合金中子靶包括依次排列的基底、缓冲层、储氘层和催化层；其中，所述储氘层含有镁、钛、锆、钒、铌、铬和石墨烯；所述储氘层的分子通式为Mg<subgt;a</subgt;Ti<subgt;b</subgt;Zr<subgt;c</subgt;V<subgt;d</subgt;Nb<subgt;e</subgt;Cr<subgt;f</subgt;C<subgt;g</subgt;；所述储氘层各元素的原子浓度为15≤a≤35at%，15≤b≤35at%，5≤c≤35at%，5≤d≤20at%，5≤e≤20at%，5≤f≤20at%，1≤g≤10at%，且a+b+c+d+e+f+g＝100；该石墨烯修饰高熵合金中子靶具有高吸氢密度及吸氢稳定性，高放氢温度，高散热效率，不易开裂粉化的优异特点，同时，该石墨烯修饰高熵合金中子靶的制备方法成本低，工艺简单。技术研发人员：郁杰,陈兆睿,李刚,卓威,孙永菊受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院技术研发日：技术公布日：2024/7/15