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表面涂层技术是提高核用锆合金抗氧化能力的一种有效的手段。锆合金原位生成的氧化锆保护层有其局限性,一是氧化锆内部会出现四方相向单斜相的转变,伴随着微孔和微裂纹的出现;二是由于其内部存在晶界以及其他的晶体缺陷,提供快速短程扩散的途径,因此会加速氧在氧化锆层的扩散。Si在多元体系中可以抑制结晶相的形成,并且Si O2在一些多元氧化物体系中大多都处于非晶状态,其流动性可以修复在腐蚀氧化过程中产生的微孔和裂纹。本实验通过磁控溅射在氧化锆中掺杂Si来制备出一种非晶的Zr-Si-O涂层保护锆合金,通过探索反应共溅射系统中反应参数（工作气压、靶材功率DC/RF）对薄膜涂层结构的影响,发现当Zr-Si-O中Si/Zr比例达到0.26:1以上,薄膜呈现非晶态。基于此,制备出不同Si含量的Zr-Si-O薄膜,并通过在薄膜下面引入Zr-4层考察涂层与锆合金的稳定性,同时以Zr-4层的氧化膜厚度为标准,考察涂层对锆合金的保护效果。首先制备了结晶态的氧化锆涂层作为对比参照,然后在氧化锆中添加硅元素,当Si/Zr为0.37时,在经历了400℃、30 h氧化后,Zr-Si-O薄膜明显展示出了更好的保护效果。但是在经历了400℃不同时间空烧氧化后,涂层中的硅元素逐渐向内部扩散,这主要是因为涂层内部原子排列比较疏松。说明该涂层本身在氧化环境下并不稳定,元素扩散激活能较小,由于化学势的作用,硅元素通过固相界面向内扩散。由于硅含量的减少,涂层逐渐演变成结晶态的氧化锆涂层,进而失去阻氧能力。考虑到硅氧键比锆氧键更短,Si/Zr提升到0.63时,硅的内扩散能力减弱,涂层的结构稳定性和阻氧能力得到一定的提高。随着氧化的进行涂层演变为双层结构-layer 1和layer 2,主要由于发生了界面反应—Zr基底中的Zr与Zr-Si-O涂层中的氧发生反应,因此Zr-Si-O层底部形成了一个Zr-Si-O的贫氧层即为layer 2。Zr-4层的氧化来源主要来自外界扩散的氧和Zr-Si-O层中的氧。需要说明的是,当硅含量很低的时候,由于外界氧的扩散极易发生并与锆基底结合,氧化物基体界面处的氧分压较高,因此没有贫氧层layer 2出现。为了进一步提升涂层的稳定性和原子排列密度,制备了Si/Zr为1的涂层。在样品氧化时,涂层中Si的内扩散几乎消失,主要是因为随着硅含量的增加Zr-Si-O中键合逐渐演变成三维网络模式,键能得到增强。此时涂层中的元素扩散激活能升高,底部的Zr-4层氧化膜厚度成抛物线变化,并逐渐趋于稳定。需要说明的是,在氧化初期涂层中的氧同样有部分通过界面扩散至Zr-4层,快速演变为双层结构,并且layer 2的厚度趋于稳定,layer1/layer2的界面不再推移。随后的氧化中layer 2的厚度轻微的减少,是因为layer 2少量的氧继续发生轻微内扩散。当layer2层中的氧含量将至10 at.%时,基本演变成一个非晶锆硅层,此时氧原子的内扩散基本停止,达到一个稳定的阻氧效果。通过对氧化动力学行为进行曲线拟合发现其明显优于文献报道的常规锆合金。对不同厚度的涂层进行分析发现,在200 nm和400 nm之间的厚度差别上,并不会对Zr-Si-O薄膜阻氧能力产生影响。进一步提升Zr-Si-O薄膜Si含量（Si/Zr:1.3,1.8）,Zr-Si-O内部原子键能增大,Zr基底与Zr-Si-O层发生界面反应变的困难,反应初期形成的稳定layer 2厚度趋向于减小并最终为0。并且由于其优良的阻氧性能,当Si/Zr为1.8时,涂层结构十分稳定,硅元素和氧元素的流失皆没有发生,内部锆合金没有出现layer 2和Zr O2层,Zr基底中仅仅包含了部分固溶氧。紧接着讨论在高温快速退火条件下,Zr-Si-O薄膜的一个内部显微结构的变化。600℃以上退火时,Zr-Si-O薄膜的内部结构不再是单一的相,而是由氧化锆纳米晶颗粒和非晶氧化硅两相组成,其中氧化锆纳米晶被非晶氧化硅包围。不同成分Zr-Si-O薄膜的快速退火后氧化锆纳米晶颗粒随着薄膜中锆含量的增加而增加。相同的是纳米晶颗粒全部都为四方相氧化锆,一方面是因为在非晶氧化硅和氧化锆的界面上存在Si-O-Zr的三元化学键,外部的Si-O与Zr形成强相互作用,这种作用力带来的界面锚定效果使得四方相氧化锆不向单斜转化;另一方面非晶氧化硅的限制了锆元素的扩散聚集以及四方相氧化锆晶粒的长大,达不到向单斜氧化锆转变的临界晶粒尺寸。因此Si的加入能够使得四方相氧化锆稳定存在。该结果在核电涂层设计方面具有拓展空间。