《Fusion Engineering and Design》：Performance of Al?O? hydrogen isotopes permeation barriers deposited on AISI 316L by Pulsed Laser Deposition
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•提出了一种标准化的工作流程，包括基底准备、PLD Al?O?沉积和多模态表征，以实现可重复的渗透屏障评估，适用于聚变应用。•报告了在聚变相关条件（400–500?°C, 100–500?Pa）下的氢同位素渗透测试，获得了约103的渗透降低因子，并证明了1?μm Al?O?涂层的
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提出了一种标准化的工作流程，包括基底准备、PLD Al?O?沉积和多模态表征，以实现可重复的渗透屏障评估，适用于聚变应用。
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报告了在聚变相关条件（400–500?°C, 100–500?Pa）下的氢同位素渗透测试，获得了约103的渗透降低因子，并证明了1?μm Al?O?涂层的热稳定性。
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引入了响应面模型和蒙特卡洛传输模型，用于映射温度-压力空间下的通量和渗透降低因子（PRF），识别出从体相控制到表面控制的传输转变。
引言
氢同位素通过结构材料的渗透仍然是基于氘-氚燃料循环的聚变动力系统部署中的一个关键技术问题。在增殖包层模块、冷却回路和辅助组件中，较大的暴露表面积可能导致不可忽视的氚损失，直接影响燃料库存控制、安全裕度和法规合规性[1]。因此，有效氚渗透屏障（TPB）的开发和验证被广泛认为是未来聚变反应堆的一项关键技术。
在候选结构材料中，AISI 316L不锈钢由于其广泛的工业应用、有利的机械性能和技术成熟度而具有重要意义。然而，其本身的氢渗透率不足以满足DEMO规模设备所需的严格氚保留要求，这促使了能够将渗透率降低几个数量级的功能性涂层的开发[2,3]。
基于氧化铝的涂层被认为是最有前途的TPB候选材料之一，因为它们具有化学稳定性、耐腐蚀性和固有的低氢传输系数[[4], [5], [6]]。已经研究了几种沉积技术，包括化学气相沉积（CVD）[7]、原子层沉积（ALD）[8]和物理气相沉积方法。在这方面，脉冲激光沉积（PLD）为制造致密氧化物薄膜提供了一种特别有吸引力的方法，它结合了精确的厚度控制以及在相对较低的基底温度下生产非晶涂层的可能性[9]。非晶结构特别适用于渗透屏障应用，因为缺乏晶界限制了通常在多晶陶瓷和金属基底中观察到的快速扩散路径的存在。
尽管有大量文献报告了基于氧化铝涂层的渗透降低因子（PRF），但结果仍然存在较大差异。这种变异性反映了屏障有效性对涂层微观结构、基底表面条件、沉积参数和实验方法的强烈敏感性。此外，许多研究主要关注报告PRF值，而没有完全区分基底和涂层的贡献，也没有量化不确定性，也没有探讨控制渗透的基本传输机制。
因此，更严格的TPB性能评估需要：（i）定量区分涂层和基底对传输的贡献，（ii）对实验数据进行考虑不确定性的统计分析，（iii）识别主要的速率控制机制（体相扩散与表面/界面或薄膜控制过程），以及（iv）允许超越离散实验点进行工程导向解释的方法。
在这项工作中，研究了氢同位素通过AISI 316L不锈钢的渗透情况，既包括原始状态，也包括沉积了1 μm厚Al?O?涂层后的情况。应用了一个全面的分析框架，包括：（i）原始状态和涂层状态的PRF匹配分析及不确定性传播，（ii）涂层效果的串联电阻分析，（iii）用于量化温度和压力影响的因子和多层次统计模型，（iv）用于工程导向插值的响应面建模，以及（iv）蒙特卡洛推断压力指数以确定主导的传输机制。
这种综合方法能够在聚变相关条件下对PLD沉积的氧化铝涂层作为TPB进行定量、物理上可解释且可转移的评估，超越了简单的PRF报告，并提供了对涂层性能的机理洞察。
章节片段
样品尺寸和材料
选择AISI 316L奥氏体不锈钢作为代表性结构合金，用于聚变相关应用。该材料的名义化学成分见表1。样品来自1.5毫米厚的板材，并使用光纤激光切割机加工成直径50毫米的圆形盘。切割后，所有样品都在乙醇中进行了超声波清洗，以去除加工残渣并确保表面无污染。
在涂层沉积之前，基底
微观结构和形态表征
对AISI 316L上1 μm PLD沉积的Al?O?涂层的微观结构和形态表征有助于解释渗透结果并识别主导的传输机制。
渗透结果
对原始AISI 316L进行了渗透测量，以建立了一个可靠的参考数据集。在400和500°C下，记录了氢的分压在100到500 Pa之间的稳态摩尔通量。实验结果与现有文献数据在探索的温度和压力范围内有很好的一致性[14,15]。渗透实验不仅在400?°C和500?°C下进行，还在350?°C和450?°C下进行，以获得更完整的
讨论
目前的结果提供了对PLD沉积的Al2O3作为AISI 316L不锈钢上功能性氢渗透屏障的评估。与纯粹描述性的PRF报告不同，结合使用电阻分析、统计建模和机制识别可以进行更深入的机理解释。
串联电阻框架表明，涂层的贡献在整个探索范围内主导了传输过程。这支持了以下结论：该屏障起作用
结论
通过脉冲激光沉积在AISI 316L不锈钢上沉积的1 μm厚Al?O?涂层在聚变相关条件下被系统性地评估为氢渗透屏障。综合形态学、结构学和物理表征结果（见第2.3章），表明PLD过程在AISI 316L上产生了连续、致密且热稳定的非晶Al?O?薄膜。没有观察到宏观涂层失效、分层或结晶的证据
CRediT作者贡献声明
A. Iaboni：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，项目管理，研究，概念化。C. Carati：可视化。G.V. Centomani：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，监督。V. Chierchia：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，研究，数据管理。M.E. Gennaro：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源，方法论。G. Marra：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法论，形式化
A. Iaboni|C. Carati|G.V. Centomani|V. Chierchia|M.E. Gennaro|G. Marra|A. Pontarollo|G.A. Spagnuolo|C. Alberghi|D. Martelli|F. Di Fonzo|G. Fierli|A. Stinchelli|E. Gallo
