Page 44 - 《真空与低温》2026年第1期

王维海等：紧凑型氘氘中子发生器中氧化铝涂层阻氘实验研究 41

2.2 涂层阻氘性能研究 真空抽气处理，最终测得下游腔室本底压力为 1×
−5
−8
涂层的阻氘性能评价标准通常使用基底材料 10 Pa，氘气本底分压为 2×10 Pa。图 2 展示了无阻
的氘渗透通量与含有该阻氘涂层的氘渗透通量的 氘涂层样品与氧化铝涂层样品在上游氘气压力为
比值，即阻氘下降因子（Penetration Reduction Factor） 100 kPa 条件下，于 750 K、850 K 及 950 K 三种温
来表征。比值越大即表明阻氘涂层的阻氘渗透效 度下的下游氘气分压渗透曲线。可观察到，随着温度
果越好。渗透通量的计算公式为： 升高，氘渗透通量显著增大，且达到稳态渗透的时
Ll
φ = √ （1） 间缩短。这一现象与金属氧化物涂层的阻氘机理密
RTA p
−1
−1
−1
式中：φ 为材料的渗透通量，mol·m ·s ·Pa ；L 为漏 切相关：氘原子在穿透氧化铝涂层时，需首先克服
3
率，Pa·m /s；l 为涂层厚度，mm；R 为常数，取 8.314 J· Al–O 键形成的能量势垒，在压力梯度与化学势驱
−1
−1
K ·mol ；T 为系统工作时的温度，K；A 为阻氘涂层 动下，以氘氧化合物形式迁移至涂层下游界面后重
2
[12]
[13]
与氘接触的面积，m ；p 为系统稳定时的气压 。 新结合为氘气析出 。温度升高增强了氘原子打破
实验开始前，对下游腔室进行了烘烤除气及高 化学键的能力，从而提高了渗透速率与稳态通量。

−3 −5
×10 ×10
9 9
8 8
7 6 7 6
氘气分压/Pa 5 4 氘气分压/Pa 5 4

2 3 3 2
1 1
0 0
0 200 400 600 800 1 000 1 200 0 5 000 10 000 15 000 20 000 25 000
时间/s 时间/s
（a）无涂层 （b）750 K
×10 −5 ×10 −5
9 9
8 8
7 6 7 6
氘气分压/Pa 5 4 氘气分压/Pa 5 4

2 3 3 2
1 1
0 0
0 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 0 200 400 600 800 1 000
时间/s 时间/s
（c）850 K （d）950 K

图 2 下游氘气分压渗透曲线
Fig. 2 Downstream deuterium partial pressure experiment

Zhang 等 [13] 基 于 第 一 性 原 理 对 氘 在 α-Al 2 O 3 氘下降因子（PRF），结果如表 2 所列。可见在升温
中渗透行为的研究表明，氘原子穿越表层原子层所 过程中，PRF 值保持相对稳定，未出现大幅波动，说

须克服的能量势垒高于其在涂层体相中的扩散势 明氧化铝涂层具有优良的热稳定性与可靠的阻氘能
垒。对于本文制备的较薄阻氘涂层而言，表面对氘 力。然而，随着温度进一步上升，PRF 呈现轻微下降
原子的阻挡贡献甚至可能大于内部体相扩散阻力， 趋势。何迪 [14] 研究指出，这可能是由于氧化铝的热
增大涂层厚度对于阻氘性能提升并不明显。为量 膨胀系数较低，在加热过程中受到基底拉应力作用，
化氧化铝涂层在不同温度下的阻氘性能，计算其阻 形成微缺陷，从而在一定程度上降低了阻氘性能。