本文对金属铀表面辉光氮化机制,氮化改性层成分,以及氮化层抗氧化机理进行研究。通过实验发现氧杂质对氮化层形成有较强的阻碍作用。研究初期所得改性层中氧含量较高,且在氮化物层和金属基体之间还存在一个氧化物层。AES和XRD分析发现随着氮化时间延长,改性层厚度增加,改性层内出现氮含量升高,晶格常数减小的趋势。XPS分析发现改性层中铀元素存在多种化学状态。通过对多组数据对比,认识到改性层中的氧杂质含量越低,偏金属性的成分含量越高。通过实验改进获得了氧杂质含量极低的氮化试样,判定改性层中偏金属性成分为铀与过量氮气反应的产物U4N7。另一种铀元素价态更高的成分是某种氧掺杂的氮化物。利用球差电镜和电子能量损失谱对铀氮化物精细结构进行研究,发现同一个氮化铀晶粒中,氮、氧原子可以分享铀原子构成的四面体间隙位。在氮化铀晶粒中存在某些区域氧含量偏高,这是由于掺杂到晶格中的氧原子倾向于聚集到一起,形成UN2_xOx局域结构。利用第一性原理对U4N7和UN2_xOx的态密度进行计算,对金属性的判断与XPS实验数据相同。随着氮化时间延长,氮化铀晶格中氧杂质减少,导致氮含量上升和晶格常数降低。由于氧原子是掺杂到氮化铀晶格中,所以只出现一种晶格结构；铀元素的近邻原子存在有氧和无氧两种情况,所以有两种价态。蒙特卡罗方法对氮化改性层生长机制进行模拟,表明氮化改性层形成是氮、氧原子共同扩散的结果。初始氧化层厚度和氮化温度是氮化层生长的主要影响因素。实验发现在铀材料氮化中离子轰击有重要作用,利用空心阴极法在铀试样表面附近产生较高密度的等离子体,在无额外加热系统的情况下,形成了氮化改性层。由于氮化气氛中氧杂质含量降低,氮化物层与金属基体之间没有了氧元素堆积,有利于氮化物生长。对氮化改性层的抗氧化机理进行分析,发现常温下铀富氮化物的抗氧化能力来自两个方面：一是氮氧混合层中原子的迁移概率较低,二是氧原子掺入氮化铀后晶格中的空位减少。当温度较高时,氮化铀晶格中容纳氧原子的能力减弱,氮化改性层稳定性降低。清洁氮化铀表面的初始氧化速率较快,但形成一定厚度的含氧层后氧化即停止。铀富氮化物的抗氧化能力强于UN。通过研究发现,氧杂质在氮化改性层中有重要影响。作为杂质的氧原子阻碍氮化层生长,却又增加氮化层稳定性。在改性层中未发现UN2的存在迹象,但氮化物被氧掺杂后形成了CaF2型的局域结构。通过本研究,对氮化改性层的形成过程和影响因素有了较深入认识,并优化了辉光氮化工艺,为该技术的工程应用奠定基础。