本发明属于材料表面处理技术领域，具体涉及一种金属铀材料表面防护用抗氧化铀钽薄膜的制备方法。
背景技术：
铀是一种重要的核材料，其核外5f、6d和7s电子层的能级彼此非常接近，使得铀具有非常复杂的化学性质，可在室温条件下轻易被o2、h2o等介质所氧化腐蚀，活泼的化学性质给铀材料的应用带来了极大挑战。材料表面改性处理被视为提高铀抗腐蚀性能的重要手段。通常采用离子注入或等离子氮化等扩散热处理方法，在金属铀表面形成一层具有较好界面结合力的氮化铀钝化层。但是这种表面改性手段通常涉及比较高的热处理温度，真空室内残余气体容易导致铀表面氧化不利于表面改性处理效果。此外离子注入、等离子氮化的表面改性处理工艺复杂，表面产物组分不受控，不利于铀材料表面钝化层性能的稳定性。另外一种处理方法是采用电镀或物理气相沉积等方法在金属铀表面镀制一层防护层，如锌、镍等，但防护层与铀基体间界面结合强度不足，容易出现防护层开裂、脱落等现象导致防护层失效。
技术实现要素：
本发明的目的是要解决金属铀材料极易与环境介质反应氧化腐蚀而失效的问题，提供一种金属铀表面抗氧化铀钽薄膜的制备方法。
一种金属铀表面制备抗氧化铀钽薄膜的方法，具体是按以下步骤完成的：
以铀钽合金靶作为靶材，采用直流磁控溅射在金属铀薄膜或金属铀块体表面制备抗氧化铀钽薄膜；所述抗氧化铀钽薄膜中钽含量为3at.％～12at.％。
一种金属铀表面制备抗氧化铀钽薄膜的方法，具体是按以下步骤完成的：
以金属铀靶和金属钽靶为靶材，采用双靶磁控溅射共沉积方法在金属铀薄膜或金属铀块体表面制备抗氧化铀钽薄膜；所述抗氧化铀钽薄膜中钽含量为3at.％～12at.％。
本发明优点：一、本发明提供了一种基于磁控溅射在金属铀材料表面镀制铀钽薄膜的方法，制备的抗氧化铀钽薄膜具有优异的抗氧化性能，薄膜组分可控，与铀材料具有良好的界面结合力及化学相容性，从而解决金属铀化学性质活泼、应用中极易氧化腐蚀失效的问题。二、本发明抗氧化铀钽薄膜中钽含量控制为3at.％～12at.％，该薄膜具有较高的硬度及较强的界面结合力，有效抑制了铀材料氧化失效，显著的提高了材料的大气储存寿命。这是由于金属钽具有硬度高、韧性好、耐腐蚀性能优异的特点，而铀钽合金中少量钽元素的添加即可显著改变材料金相组织，形成过饱和固溶体α’相，使得铀钽合金具有高硬度及较为优异的抗氧化腐蚀性能。磁控溅射镀膜是个非平衡过程，在保证薄膜物相的同时可在较大范围内实现钽含量的调节。而磁控溅射镀制铀钽薄膜的过程中，超高真空及表面离子清洗也保证了铀钽薄膜与基体材料的界面结合力。铀钽薄膜除了保护金属铀材料、抑制材料氧化失效，还在高能物理/激光与物质相互作用领域具有潜在的应用价值。钽属于中z元素，含少量钽的铀钽薄膜具有优异的抗氧化腐蚀性能的同时，还表现出与铀相似的黑腔物理性能，具有很高的激光-x射线转化效率。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式是一种金属铀表面制备抗氧化铀钽薄膜的方法，具体是按以下步骤完成的：
以铀钽合金靶作为靶材，采用直流磁控溅射在金属铀薄膜或金属铀块体表面制备抗氧化铀钽薄膜；所述抗氧化铀钽薄膜中钽含量为3at.％～12at.％。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：以铀钽合金靶作为靶材，采用直流磁控溅射在金属铀薄膜表面制备抗氧化铀钽薄膜具体是按以下步骤制备：
一、将单晶硅基片依次在丙酮、乙醇和去离子水中分别超声清洗5min～60min，用高压氮气吹干，得到干净单晶硅基片；
二、将干净单晶硅基片放置在样品台中心，调整金属铀靶与样品台中心距离为5cm～20cm，金属铀靶中心法线与样品台所在平面呈45°夹角；调整铀钽合金靶与样品台中心距离为5cm～20cm，铀钽合金靶中心法线与样品台所在平面呈45°夹角；
三、通过机械泵和分子泵抽真空使沉积室真空达到1×10-8pa～1×10-6pa，然后充入高纯氩气，并调节闸板阀使沉积室真空度保持在0.1pa～1pa；步骤三中所述的高纯氩气的纯度为99.9999％；
四、对干净单晶硅基片表面进行离子清洗1min～30min，且在干净单晶硅基片表面离子清洗过程中样品台以转速为1rpm～20rpm进行旋转；
五、在金属铀靶与样品台之间设置挡板，在金属铀靶直流电源功率为40w～400w下进行预溅射5min～20min；
六、打开金属铀靶与样品台之间的挡板，在金属铀靶直流电源功率为40w～400w下沉积10min～900min，且沉积过程中样品台以转速为1rpm～20rpm进行旋转，即在单晶硅基片表面得到金属铀薄膜，得到镀金属铀薄膜单晶硅基片；
七、对镀金属铀薄膜单晶硅基片表面进行离子清洗1min～15min，且在离子清洗过程中样品台以转速为1rpm～20rpm进行旋转；
八、在铀钽合金靶与样品台之间设置挡板，在铀钽合金靶直流电源功率为50w～350w下进行预溅射5min～20min；
九、打开铀钽合金靶与样品台之间的挡板，在铀钽合金靶直流电源功率为50w～350w下沉积5min～600min，且沉积过程中样品台以转速为1rpm～20rpm进行旋转，即完成在金属铀薄膜表面制备抗氧化铀钽薄膜。
其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二的不同点是：步骤二所述的金属铀靶纯度为99.99％；所述的铀钽合金靶纯度≥99％，且铀钽合金靶中钽含量为3at.％～15at.％。其他与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：以铀钽合金靶作为靶材，采用直流磁控溅射在金属铀块体表面制备抗氧化铀钽薄膜具体是按以下步骤制备：
一、在浓度为8mol/l硝酸中去除金属铀块体材料表面的氧化物，然后依次用去离子水、乙醇和丙酮冲洗，干燥后得到干净金属铀块体；
二、将干净金属铀块体放置在样品台中心，调整铀钽合金靶与样品台中心距离为5cm～20cm，铀钽合金靶中心法线与样品台所在平面呈45°夹角；
三、通过机械泵和分子泵抽真空使沉积室真空达到1×10-8pa～1×10-6pa，然后充入高纯氩气，并调节闸板阀使沉积室真空度保持在0.1pa～1pa；步骤三中所述的高纯氩气的纯度为99.9999％；
四、对干净金属铀块体表面进行离子清洗1min～30min，且在金属铀块体表面离子清洗过程中样品台以转速为1rpm～20rpm进行旋转；
五、在铀钽合金靶与样品台之间设置挡板，在铀钽合金靶直流电源功率为50w～350w下进行预溅射5min～20min；
六、打开铀钽合金靶与样品台之间的挡板，在铀钽合金靶直流电源功率为50w～350w下沉积5min～600min，且沉积过程中样品台以转速为1rpm～20rpm进行旋转，即完成在金属铀薄膜表面制备抗氧化铀钽薄膜。
其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四的不同点是：步骤二所述的铀钽合金靶纯度≥99％，且铀钽合金靶中钽含量为3at.％～15at.％。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式是一种金属铀表面制备抗氧化铀钽薄膜的方法，具体是按以下步骤完成的：
以金属铀靶和金属钽靶为靶材，采用双靶磁控溅射共沉积方法在金属铀薄膜或金属铀块体表面制备抗氧化铀钽薄膜；所述抗氧化铀钽薄膜中钽含量为3at.％～12at.％。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六的不同点是：以金属铀靶和金属钽靶为靶材，采用双靶磁控溅射共沉积方法在金属铀薄膜表面制备抗氧化铀钽薄膜具体是按以下步骤制备：
一、将单晶硅基片依次在丙酮、乙醇和去离子水中分别超声清洗5min～60min，用高压氮气吹干，得到干净单晶硅基片；
二、将干净单晶硅基片放置在样品台中心，金属铀靶和金属钽靶与样品台所在平面法线呈对称分布，调整金属铀靶与样品台中心距离为5cm～20cm，金属铀靶中心法线与样品台所在平面呈45°夹角；调整金属钽靶与样品台中心距离为5cm～20cm，金属钽靶中心法线与样品台所在平面呈45°夹角；
三、通过机械泵和分子泵抽真空使沉积室真空达到1×10-8pa～1×10-6pa，然后充入高纯氩气，并调节闸板阀使沉积室真空度保持在0.1pa～1pa；步骤三中所述的高纯氩气的纯度为99.9999％；
四、对干净单晶硅基片表面进行离子清洗1min～30min，且在干净单晶硅基片表面离子清洗过程中样品台以转速为1rpm～20rpm进行旋转；
五、在金属铀靶与样品台之间设置挡板，在金属铀靶直流电源功率为40w～400w下进行预溅射5min～20min；
六、打开金属铀靶与样品台之间的挡板，在金属铀靶直流电源功率为40w～400w下沉积10min～900min，且沉积过程中样品台以转速为1rpm～20rpm进行旋转，即在单晶硅基片表面得到金属铀薄膜，得到镀金属铀薄膜单晶硅基片；
七、对镀金属铀薄膜单晶硅基片表面进行离子清洗1min～15min，且在离子清洗过程中样品台以转速为1rpm～20rpm进行旋转；
八、在金属铀靶与样品台之间和金属钽靶与样品台之间分别设置挡板，在铀靶直流电源功率为50w～200w和钽靶直流电源功率为10w～200w下进行预溅射5min～30min；
九、打开金属铀靶与样品台之间和金属钽靶与样品台之间的挡板，在铀靶直流电源功率为100w～500w和钽靶直流电源功率为10w～100w下沉积5min～600min，且沉积过程中样品台以转速为1rpm～20rpm进行旋转，即完成在金属铀薄膜表面制备抗氧化铀钽薄膜。
其他与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七的不同点是：步骤二所述的金属铀靶纯度为99.99％，金属钽靶纯度为99.99％。其他与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六的不同点是：以金属铀靶和金属钽靶为靶材，采用双靶磁控溅射共沉积方法在金属铀块体表面制备抗氧化铀钽薄膜具体是按以下步骤制备：
一、在浓度为8mol/l硝酸中去除金属铀块体材料表面的氧化物，然后依次用去离子水、乙醇和丙酮冲洗，干燥后得到干净金属铀块体；
二、将干净金属铀块体放置在样品台中心，金属铀靶和金属钽靶与样品台所在平面法线呈对称分布，调整金属铀靶与样品台中心距离为5cm～20cm，金属铀靶中心法线与样品台所在平面呈45°夹角；调整金属钽靶与样品台中心距离为5cm～20cm，金属钽靶中心法线与样品台所在平面呈45°夹角；
三、通过机械泵和分子泵抽真空使沉积室真空达到1×10-8pa～1×10-6pa，然后充入高纯氩气，并调节闸板阀使沉积室真空度保持在0.1pa～1pa；步骤三中所述的高纯氩气的纯度为99.9999％；
四、对干净金属铀块体表面进行离子清洗1min～30min，且在干净金属铀块体表面离子清洗过程中样品台以转速为1rpm～20rpm进行旋转；
五、在金属铀靶与样品台之间和金属钽靶与样品台之间分别设置挡板，在铀靶直流电源功率为50w～200w和钽靶直流电源功率为10w～200w下进行预溅射5min～30min；
六、打开金属铀靶与样品台之间和金属钽靶与样品台之间的挡板，在铀靶直流电源功率为100w～500w和钽靶直流电源功率为10w～100w下沉积5min～600min，且沉积过程中样品台以转速为1rpm～20rpm进行旋转，即完成在金属铀薄膜表面制备抗氧化铀钽薄膜。
其他与具体实施方式六相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式九的不同点是：步骤二所述的金属铀靶纯度为99.99％，金属钽靶纯度为99.99％。其他与具体实施方式九相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
采用下述试验验证本发明效果
实施例1：以铀钽合金靶为靶材，采用直流磁控溅射在金属铀薄膜表面制备抗氧化铀钽薄膜具体是按以下步骤制备：
一、将单晶硅基片在丙酮中超声清洗20min，在乙醇中超声清洗20min、在去离子水中超声清洗20min，再用高压氮气吹干，得到干净单晶硅基片；
二、将干净单晶硅基片放置在样品台中心，调整金属铀靶与样品台中心距离为15cm，金属铀靶中心法线与样品台所在平面呈45°夹角；调整铀钽合金靶与样品台中心距离为15cm，铀钽合金靶中心法线与样品台所在平面呈45°夹角；
三、通过机械泵和分子泵抽真空使沉积室真空达到5×10-8pa，然后充入高纯氩气，并调节闸板阀使沉积室真空度保持在0.6pa；步骤三中所述的高纯氩气的纯度为99.9999％；
四、在离子能量为200ev和离子束流为10ma下利用离子束对干净单晶硅基片表面进行离子清洗20min，且在干净单晶硅基片表面离子清洗过程中样品台以转速为5rpm进行旋转；
五、在金属铀靶与样品台之间设置挡板，在金属铀靶直流电源功率为150w下进行预溅射10min；
六、打开金属铀靶与样品台之间的挡板，在金属铀靶直流电源功率为150w下沉积360min，且沉积过程中样品台以转速为5rpm进行旋转，即在单晶硅基片表面得到金属铀薄膜，得到镀金属铀薄膜单晶硅基片；
七、在离子能量为200ev和离子束流为10ma下利用离子束对镀金属铀薄膜单晶硅基片表面进行离子清洗5min，且在离子清洗过程中样品台以转速为5rpm进行旋转；
八、在铀钽合金靶与样品台之间设置挡板，在铀钽合金靶直流电源功率为80w下进行预溅射15min；
九、打开铀钽合金靶与样品台之间的挡板，在铀钽合金靶直流电源功率为80w下沉积200min，且沉积过程中样品台以转速为50rpm进行旋转，即完成在金属铀薄膜表面制备抗氧化铀钽薄膜。
本实施例在金属铀薄膜表面上镀制获得了铀钽薄膜，通过扫描电镜观察可以发现，铀钽薄膜表面均匀致密，无可察觉缺陷存在，其中金属铀薄膜厚度为～7.6μm，铀钽薄膜厚度为～1.7μm。利用x射线光电子能谱仪分析表明，铀钽薄膜钽含量为～10.2at.％。
实施例2：以铀钽合金靶为靶材，采用直流磁控溅射在金属铀薄膜表面制备抗氧化铀钽薄膜具体是按以下步骤制备：
一、将单晶硅基片在丙酮中超声清洗40min，在乙醇中超声清洗20min、在去离子水中超声清洗20min，再用高压氮气吹干，得到干净单晶硅基片；
二、将干净单晶硅基片放置在样品台中心，调整金属铀靶与样品台中心距离为12cm，金属铀靶中心法线与样品台所在平面呈45°夹角；调整铀钽合金靶与样品台中心距离为15cm，铀钽合金靶中心法线与样品台所在平面呈45°夹角；
三、通过机械泵和分子泵抽真空使沉积室真空达到7.5×10-8pa，然后充入高纯氩气，并调节闸板阀使沉积室真空度保持在0.4pa；步骤三中所述的高纯氩气的纯度为99.9999％；
四、在离子能量为200ev和离子束流为10ma下利用离子束对干净单晶硅基片表面进行离子清洗20min，且在干净单晶硅基片表面离子清洗过程中样品台以转速为5rpm进行旋转；
五、在金属铀靶与样品台之间设置挡板，在金属铀靶直流电源功率为150w下进行预溅射10min；
六、打开金属铀靶与样品台之间的挡板，在金属铀靶直流电源功率为200w下沉积480min，且沉积过程中样品台以转速为5rpm进行旋转，即在单晶硅基片表面得到金属铀薄膜，得到镀金属铀薄膜单晶硅基片；
七、在离子能量为200ev和离子束流为10ma下利用离子束对镀金属铀薄膜单晶硅基片表面进行离子清洗5min，同时在离子清洗过程中样品台以转速为5rpm进行旋转；
八、在铀钽合金靶与样品台之间设置挡板，在铀钽合金靶直流电源功率为80w下进行预溅射15min；
九、打开铀钽合金靶与样品台之间的挡板，在铀钽合金靶直流电源功率为80w下沉积200min，且沉积过程中样品台以转速为50rpm进行旋转，即完成在金属铀薄膜表面制备抗氧化铀钽薄膜。
将本实施例在金属铀薄膜表面上镀制获得的抗氧化铀钽薄膜样品和本实施例步骤六在单晶硅基片上得到的金属铀薄膜在大气环境下暴露7天后，通过离子束刻蚀深度剖析发现薄膜表面氧化层厚度为～15nm，表面呈金属光泽，颜色为淡黄色；而相同条件下金属铀薄膜样品氧化层厚度～76nm，表面呈黄褐色。
实施例3：以金属铀靶和金属钽靶为靶材，采用双靶磁控溅射共沉积方法在金属铀块体表面制备抗氧化铀钽薄膜具体是按以下步骤制备：
一、在浓度为8mol/l硝酸中去除金属铀块体材料表面的氧化物，然后依次用去离子水、乙醇和丙酮冲洗，干燥后得到干净金属铀块体；
二、将干净金属铀块体放置在样品台中心，金属铀靶和金属钽靶与样品台所在平面法线呈对称分布，调整金属铀靶与样品台中心距离为15m，金属铀靶中心法线与样品台所在平面呈45°夹角；调整金属钽靶与样品台中心距离为20cm，金属钽靶中心法线与样品台所在平面呈45°夹角；
三、通过机械泵和分子泵抽真空使沉积室真空达到2×10-7pa，然后充入高纯氩气，并调节闸板阀使沉积室真空度保持在0.25pa；步骤三中所述的高纯氩气的纯度为99.9999％；
四、在离子能量为200ev和离子束流为10ma下利用离子束对干净金属铀块体表面进行离子清洗12min，且在干净金属铀块体表面离子清洗过程中样品台以转速为10rpm进行旋转；
五、在金属铀靶与样品台之间和金属钽靶与样品台之间分别设置挡板，在铀靶直流电源功率为150w和钽靶直流电源功率为100w下进行预溅射15min；
六、打开金属铀靶与样品台之间和金属钽靶与样品台之间的挡板，在铀靶直流电源功率为250w和钽靶直流电源功率为30w下沉积360min，且沉积过程中样品台以转速为10rpm进行旋转，即完成在金属铀薄膜表面制备抗氧化铀钽薄膜。
本实施例获得的铀钽薄膜钽含量为～6.8at.％，将表面包覆抗氧化铀钽薄膜的铀材料在液氮中冷却，后置于大气环境中，如此反复冷热循环12次，材料表面无鼓包、脱落现象，证明抗氧化铀钽薄膜与金属铀块体材料具有较强的界面结合力。