氢化锆是空间核反应堆电源理想的固体中子慢化剂材料,但在反应堆服役温度和气氛下,氢化锆的慢化性能会因氢损失而降低;阻止或减缓氢化锆中氢损失的有效方法是在其表面制备阻氢渗透膜层。氧化物膜层、氮化物膜层和碳化物膜层具有较好的阻氢性能,并在不锈钢阻氢渗透方面得到较深入研究。在氢化锆表面制备阻氢膜层方面,已有原位氧化、原位磷化-氧化、微弧氧化、溶胶凝胶、表面电镀铬等研究,制备出的膜层主要为ZrO2、含磷ZrO2、Cr-CrOx、SiO2-ZrO2、SiO2-Al2O3等氧化物膜层;在氢化锆表面含N膜层方面,以尿素高温分解气体为气源制备出了含N的ZrO2基膜层,但目前尚无以氮化物为主相的氢化锆阻氢渗透膜研究,对于氮化物膜层的生长机制和阻氢性能有待深入揭示。基于氮化物具有优异的阻氢渗透性能,本文以在氢化锆表面制备氮化锆基膜层为目标,研究了以氮气为气源原位氮化的可行性、氮化膜层生长的主要影响因素,氮化膜层成分、组织结构特征、氮化膜生长动力学及其阻氢性能,并对现有氢渗透速率/氢含量测试方法的可靠性进行了评估,最后对氮化膜层阻氢性能进行了测试评价。采用TG-DSC和高温XRD分析技术,在室温至800℃条件下,研究了氮气、氩气、空气气氛下氢化锆气-固相界面化学反应和基体相转变规律,并探讨了氮气气氛下表面生成氮化膜层的可行性。结果表明,在氮气气氛下,氢化锆表面在600℃左右生成ZrN,氮化膜层由ZrN、ZrO2、Zr-N-H三元化合物等组成;与氩气气氛相比,在氮气气氛下氢化锆未发生δ→β相变,并且ε→δ相变温度由710℃升高到765℃,膜层具有明显阻氢渗透效果。研究表明以氮气为气源在氢化锆表面原位反应制备阻氢渗透膜具有可行性。分别以N2和N2+H2为反应气源,深入研究了 500～800℃、保温时间5 h和20 h条件下原位氮化膜层生长的影响因素。结果表明,在纯N2和N2+H2混合气氛500℃、600℃、700℃条件下膜层生长不明显,在800℃时分别获得了厚度约为1.6 μm和5 μm的膜层;在N2气氛800℃条件下,5h和20 h获得的膜层厚度无明显区别;表明温度是膜层生长的第一影响因素,其次是反应气氛,制膜时间对膜层生长影响最小。获得了氢化锆原位氮化制备阻氢渗透膜新工艺:恒温温度800℃,N2+H2混合气氛,恒温时间20h。新工艺制备的ZrN基阻氢渗透膜主要元素为Zr、N,次要元素为O,各元素由表面到膜层内部的变化规律是:Zr含量逐渐增加、N含量先增加后减小,O含量逐渐减小;XRD测试表明膜层主要物相为ZrN,次要物相为ZrO2、ZrO、ZrN（NH2）和ZrN0.36H0.8,XPS谱分析表明膜层中存在ZrNx、ZrO2、以及O-H、N-H等化学键。结合AES元素分布分析探讨了氢化锆表面氮化膜的生长动力学,获得纯N2气氛800℃时N、O原子扩散系数分别为1.59×10-12 cm2/s和1.02×10-14 cm2/s,均低于N2+H2混合气氛下的结果（5.34×10-12 cm2/s 和 8.14×10-14 cm2/s）,表明气氛中H具有促进N、O原子扩散的作用。N2+H2混合气氛下N、O原子扩散激活能分别为205.605 KJ/mol和68.507KJ/mol。氮化膜生长影响因素和动力学结果共同揭示了其在不同阶段生长机制:N2和N2+H2气氛中500℃左右的低温段,主要为气氛中残余O在氢化锆中扩散生成ZrO2膜;600～700℃的中温段N、O共同扩散,形成复合膜层;800℃时以N原子扩散为主,是膜层生长的主要阶段。膜层自低温到高温的生长过程中,其阻氢渗透性能逐步提高,实现了制膜过程氢损失有效控制。最后,对氢化锆表面氮化膜层的阻氢性能和机理进行了探究。氢含量/氢渗透速率测试的三种方法评估表明,定氢仪法是测定氢化锆氢含量的可靠方法,可作为评价依据;真空脱氢-失重法测试氢含量受氮氧共脱除的影响,只适合基体氮氧含量低样品的快速测定;气相色谱法短周期测试结果存在较大波动,长周期测试结果趋于稳定,是一种可行的在线无损检测方法。对氮化膜层阻氢渗透性能测试研究表明,原位氮化膜性能优于原位氧化膜层。此外,对氮化膜层的阻氢机制和策略进行了解析:膜层中氮、氧原子对氢的捕获构成化学阻氢;以ZrN为主相的膜层的连续致密性构成了良好的物理阻氢作用;高温制膜（800℃）、低温服役（600℃）策略,充分利用高温和低温下膜层中N元素扩散速度的差异,保证了膜层的稳定性和阻氢渗透性能。本课题研究可为制备高性能阻氢渗透膜提供新的思路和借鉴,为空间堆慢化剂设计和应用提供有益的科学参考。