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随着能源紧张和环保节能观念的增强,材料科学工作者积极研究二氧化铀芯块的低温烧结工艺以降低燃料制造的成本和制造出高性能的二氧化铀燃料芯块。低温烧结本质上是活化烧结。在超化学计量的的铀氧化合物UO2+x中,铀原子的扩散速率随过剩氧量的增加呈指数增加。前期的研究结果表明当超化学剂量的铀氧化合物UO2+x中过剩氧成分点x为0.25时,铀的扩散激活能较低,扩散系数较高,利于进行低温烧结。因此,很有必要探索出一套工艺对UO2粉末进行改性,以获得芯部为UO2,而表层O/U约为2.25的粉末。本研究通过气氛氧化正交试验、热分析试验、XRD试验,240℃和360℃下氧化增重试验,力图探索出UO2粉末的最优改性工艺。对原始UO2粉末进行了改性处理,分析讨论了UO2粉末的氧化机制。通过热膨胀烧结试验,比较研究了改性粉末压制生坯和原始UO2粉末压制生坯的烧结特性。研究结果表明:1.在本实验条件下,欲实现UO2的低温烧结,获得约2.25的O/U原子比,UO2粉末表面改性的最佳工艺为:于空气中在240℃下保温氧化8小时后随炉冷却。2.在99.999%的氩气气氛中,改性粉末压制的生坯开始发生收缩的温度在大约570℃左右(572-576℃);而原始UO2粉末压制的生坯开始发生收缩的温度在大约1100-1170℃(1096-1171℃)。改性粉末压制生坯开始发生收缩的温度比原始UO2粉末压制的生坯开始发生收缩的温度要低530-600℃.改性粉末压制生坯在收缩阶段的平均线膨胀系数(-308.2275×10-6/K到-328.7439×10-6/K),比原始UO2压制的生坯在收缩阶段的平均线膨胀系数(-151.5266×10-6/K到-203.121×10-6/K)要大得多。3.改性粉末压制生坯经RT-1773K热膨胀实验后的密度比原始UO2粉末压制生坯的密度要大。相对于原始UO2粉末压制的生坯而言,改性粉末压制的生坯在烧结过程中致密化程度更高。4.表面改性气氛对UO2粉末的比表面影响最为显著,其次为氧化温度,升温速度和保温时间,后两者的影响程度几乎一样。在本试验条件下确定的最优工艺为:以3℃/Min的速度升温,于360℃下开炉流通空气气氛中保温8小时。采用最优工艺可使二氧化铀粉末的比表面积从2.65 m2/g增加到4.30 m2/g,研磨0.5 h后可达4.40 m2/g,提高了66%.5.由热分析试验和XRD试验可知UO2粉末大致在100～120℃时失去吸附水。240℃×8 h空气预氧化处理后有极少量的U3O7生成,382℃×8 h和815℃×8 h空气预氧化处理后生成了U3O8。6.UO2粉末在360℃下氧化分为两个阶段。第一阶段(0-4h)为质量迅速增加阶段,第二阶段(5-12h)为质量平稳不变阶段。二氧化铀粉末在360℃下氧化100-300分钟的产物为U3O8。UO2粉末在240℃下氧化100-480分钟,产物为以UO2为主,伴随有少量的U3O7生成,且随着保温时间的延长,U3O7的衍射峰增多。UO2粉末于360℃下氧化后体积非常明显地膨胀,而在240℃下氧化后体积仅略有轻微膨胀。