C/Al復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高體積分?jǐn)?shù)B4C/A1復(fù)合材料及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著核能的日益發(fā)展，乏燃料的貯存和運(yùn)輸過程中的安全成為人們關(guān)心的主要問 題之一。乏燃料是指在反應(yīng)堆內(nèi)燒過的核燃料，會(huì)以中子輻射為主，向周圍環(huán)境產(chǎn)生大量輻 射，并對(duì)周圍環(huán)境和人類產(chǎn)生巨大危害，同時(shí)，每年都有大量的乏燃料從核反應(yīng)堆中卸出； 另一方面，我國(guó)核電工業(yè)的快速發(fā)展，也將導(dǎo)致乏燃料的大量產(chǎn)生，因此未來乏燃料的貯存 將朝著高密集化、長(zhǎng)期化發(fā)展，這對(duì)乏燃料貯存格架材料提出了新的要求。因此選擇具有優(yōu) 秀的中子屏蔽性能和力學(xué)性能的材料作為乏燃料貯存格架材料是解決目前以及未來乏燃 料安全問題的最有效的方式。
[0003] 常用的中子屏蔽材料有硼鋼、含硼聚乙烯板和B4CAl復(fù)合材料等。硼鋼具有良好 的力學(xué)性能，但由于其含硼量有限，無法滿足乏燃料高密度貯存的要求；含硼聚乙烯板由于 是樹脂基材料，容易發(fā)生老化發(fā)脆，導(dǎo)致其使用壽命短。B 4CAl復(fù)合材料由于其低密度，良 好的力學(xué)性能，同時(shí)可以通過工藝調(diào)節(jié)B4C含量來提高吸收熱中子的能力，使其成為優(yōu)秀的 熱中子屏蔽材料。國(guó)際上主要有兩種B 4C/A1復(fù)合材料作為乏燃料貯存格架材料，即BORAL 和METAMIC。BORAL是將鋁粉和碳化硼粉進(jìn)行混合，放入鋁合金箱中并焊好密封，通過熱軋 的工藝制得上下層為鋁薄板，中間層為均勻混合的碳化硼粉和鋁粉的板材，雖然BORAL的 含碳化硼量可以達(dá)到65%，但其在使用過程中易發(fā)生起泡等現(xiàn)象。METAMIC也是將鋁粉和 碳化硼粉進(jìn)行混合，采用冷等靜壓、真空燒結(jié)和擠壓等工藝制備而成，但其含碳化硼量沒有 BORAL高（45wt% )，同時(shí)制備工藝復(fù)雜，對(duì)設(shè)備要求高。
[0004] 國(guó)內(nèi)近些年對(duì)B4C/A1復(fù)合材料開始了大量研宄。專利號(hào)為CN102280156A，發(fā)明 名稱為"一種鋁基碳化硼中子吸收板的制備方法"中采用球磨的方式，將氧化后的鋁粉、碳 化硼粉、鈦粉、硅粉和硼酸晶體混合，采用粉末冶金及熱擠壓的方式制成B 4CAI復(fù)合材料板 材。但其含碳化硼量?jī)H有30wt%，成本也較高。
[0005] 專利號(hào)為CN102392148A，發(fā)明名稱為"一種鋁基碳化硼中子吸收復(fù)合材料的制備 方法"中采用混粉、冷壓制坯和燒結(jié)工藝制備了含碳化硼量30wt^^^B 4C/Al復(fù)合材料，同樣 存在含碳化硼量低的問題。
[0006] 專利號(hào)為CN102094132A，發(fā)明名稱為"B4C/A1復(fù)合材料制備方法"中，采用混粉、冷 壓制坯、真空燒結(jié)和多次熱軋的工藝制備了含B 4C量5%~35%的B4C/A1復(fù)合材料，但同樣 存在含B4C低的問題。
[0007] 專利號(hào)為CN102110484B，發(fā)明名稱為"一種乏燃料貯運(yùn)用B4C/A1中子吸收板的制 備方法"中，同樣采用混粉、冷壓制還和燒結(jié)工藝制備了含l〇wt%~65?1:%的B 4C/A1復(fù)合 材料，并將其裝入鋁合金框架中焊接密封再進(jìn)行熱軋，最后制得B4C/A1中子吸收板。但當(dāng) 含B 4C量超過50wt %時(shí)，材料的致密度和力學(xué)性能明顯降低，無法滿足乏燃料高密度貯存的 要求。
[0008] 從以上的研宄可以發(fā)現(xiàn)，B4C/A1復(fù)合材料由于其優(yōu)秀的中子吸收性能，在乏燃料 屏蔽上具有非常廣闊的應(yīng)用前景，國(guó)內(nèi)外對(duì)此的研宄也十分廣泛，然而面對(duì)未來乏燃料貯 存高密集化、長(zhǎng)期化的特點(diǎn)，提高B 4C含量對(duì)于B4CAl復(fù)合材料的發(fā)展是及其重要的。國(guó)內(nèi) 外針對(duì)B4CAl復(fù)合材料的研宄，在制備方法上基本均選擇粉末冶金工藝，這種工藝制備的 B4CVAl復(fù)合材料體積分?jǐn)?shù)不能超過50 %，否則會(huì)出現(xiàn)因致密度不夠而導(dǎo)致的材料力學(xué)性能 下降，進(jìn)而無法滿足結(jié)構(gòu)材料的要求，因此如何選擇合適的制備方法制備出高體積分?jǐn)?shù)的 B4CAI復(fù)合材料是解決未來乏燃料貯存高密集化、長(zhǎng)期化的一種有效的手段。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明是要解決現(xiàn)有的高碳化硼含量的B4CAl復(fù)合材料致密度低、力學(xué)性能差以 及在KKKTC以下碳化硼和鋁液潤(rùn)濕性差的問題，而提供一種乏燃料貯存格架用高體積分?jǐn)?shù) B4C/A1復(fù)合材料及其制備方法。
[0010] 本發(fā)明一種乏燃料貯存格架用高體積分?jǐn)?shù)B4C/A1復(fù)合材料按體積分?jǐn)?shù)由55 %~ 75 %碳化硼和25 %~45 %鋁或鋁合金制成；所述碳化硼是粒徑為17 μ m的碳化硼顆?；蛩?述碳化硼是粒徑為5 μπι的碳化硼顆粒和粒徑為17 μπι的碳化硼顆粒的混合物。
[0011] 本發(fā)明一種乏燃料貯存格架用高體積分?jǐn)?shù)B4c/Al復(fù)合材料的制備方法是按以下 步驟進(jìn)行：
[0012] -、按體積分?jǐn)?shù)稱取55 %~75 %碳化硼和25 %~45 %鋁或鋁合金；所述碳化硼是 粒徑為17 μ m的碳化硼顆粒或所述碳化硼是粒徑為5 μ m的碳化硼顆粒和粒徑為17 μ m的 碳化硼顆粒的混合物；
[0013] 二、將步驟一稱取的55 %~75 %碳化硼在溫度為35°C~50°C的干燥箱中干燥 24h~36h，得到干燥后的碳化硼；
[0014] 三、將步驟二得到的干燥后的碳化硼裝入鋼模具中，冷壓制成胚體，然后連同鋼 模具一起放入電爐中，將電爐內(nèi)的溫度從室溫加熱至500°C~700°C后在溫度為500°C~ 700°C的條件下保溫2h~6h，得到碳化硼預(yù)制體；
[0015] 四、將步驟一稱取的25%~45%鋁或鋁合金在溫度為700°C~900°C的條件下熔 煉4h~6h，得到熔液；
[0016] 五、采用壓力浸滲將步驟四得到的熔液澆注并浸滲到步驟三得到的碳化硼預(yù)制體 的間隙中，在壓力為30MPa~50MPa的條件下保壓0. 5h~lh，隨模冷卻后，脫模得到B4C/ Al復(fù)合材料。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是：
[0018] 本發(fā)明采用壓力浸滲，其工藝簡(jiǎn)單，成本低；得到的B4CAl復(fù)合材料致密度高，解 決了目前國(guó)內(nèi)外制備的高碳化硼含量的B 4CAI復(fù)合材料致密度低的問題，同時(shí)克服了在 KKKTC以下碳化硼和鋁液潤(rùn)濕性差的難題；制備得到的B4CAl復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué) 性能，拉伸強(qiáng)度大于400MPa，彎曲強(qiáng)度大于800MPa，遠(yuǎn)超于國(guó)內(nèi)外同等碳化硼含量的B 4C/A1 復(fù)合材料，同時(shí)具有優(yōu)秀的中子吸收性能，采用MCNP計(jì)算，體積分?jǐn)?shù)55%的B4CAl復(fù)合材 料不到Imm厚就能屏蔽99%以上的熱中子，能夠滿足我國(guó)目前乃至未來，乏燃料貯存高密 集化、長(zhǎng)期化的需求。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0019] 一：本實(shí)施方式一種乏燃料貯存格架用高體積分?jǐn)?shù)B4C/A1復(fù)合材 料按體積分?jǐn)?shù)由55%~75%碳化硼和25%~45%鋁或鋁合金制成；所述碳化硼是粒徑為 17 μ m的碳化硼顆?；蛩鎏蓟鹗橇綖? μ m的碳化硼顆粒和粒徑為17 μ m的碳化硼顆 粒的混合物。
[0020] 當(dāng)本實(shí)施方式中所述的碳化硼是粒徑為5 μπι的碳化硼顆粒 和粒徑為17 μπι的碳化硼顆粒的混合物時(shí)，碳化硼的堆積密度公式為 / = 0.64/ [丨 _0 - (0.362 - 0.315(/，f7)A； + 0.955(//)4(X,2 / (卜 A；川，其中 μ 為粒徑為 5 μ m 的 碳化硼顆粒的粒徑與粒徑為17 μ m的碳化硼顆粒的粒徑比值，\為粒徑為所述55 %~75% 碳化硼中17 μπι的碳化硼顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由公式計(jì)算可知，當(dāng)B4CAl復(fù)合材料中碳化硼 的體積分?jǐn)?shù)為55%時(shí)，所述碳化硼僅為粒徑為17 μπι的碳化硼顆粒，當(dāng)B4CAl復(fù)合材料中 碳化硼的體積分?jǐn)?shù)高于55%時(shí)，所述碳化硼是粒徑為5 μ m的碳化硼顆粒和粒徑為17 μ m的 碳化硼顆粒的混合物。
[0021] 本實(shí)施方式得到的B4C/A1復(fù)合材料致密度高，解決了目前國(guó)內(nèi)外制備的高碳化硼 含量的B 4CAl復(fù)合材料致密度低的問題，同時(shí)克服了在1000°C以下碳化硼和鋁液潤(rùn)濕性差 的難題；制備得到的B4CAl復(fù)合材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，拉伸強(qiáng)度大于400MPa，彎曲強(qiáng) 度大于800MPa，遠(yuǎn)超于國(guó)內(nèi)外同等碳化硼含量的B 4CAl復(fù)合材料，同時(shí)具有優(yōu)秀的中子吸 收性能，采用MCNP計(jì)算，體積分?jǐn)?shù)55 %的B4C/A1復(fù)合材料不到Imm厚就能屏蔽99%以上 的熱中子，能夠滿足我國(guó)目前乃至未來，乏燃料貯存高密集化、長(zhǎng)期化的需求。
【具體實(shí)施方式】 [0022] 二：本實(shí)施方式與一不同的是：一種乏燃料貯存格架 用高體積分?jǐn)?shù)B 4CAl復(fù)合材料按體積分?jǐn)?shù)由60%碳化硼和40%鋁或鋁合金制成。其他與 一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0023] 三：本實(shí)施方式與一或二不同的是：一種乏燃料貯存 格架用高體積分?jǐn)?shù)B 4CAl復(fù)合材料按體積分?jǐn)?shù)由70%碳化硼和30%鋁或鋁合金制成。其 他與一或二相同。
【具體實(shí)施方式】 [0024] 四：本實(shí)施方式與一至三之一不同的是：所述鋁合金 為Ixxx系錯(cuò)合金、2xxx系錯(cuò)合金、3xxx系錯(cuò)合金、4xxx系錯(cuò)合金、5xxx系錯(cuò)合金或6xxx系 鋁合金。其他與一至三之一相同。
【具體實(shí)施方式】 [0025] 五：本實(shí)施方式一種乏燃料貯存格架用高體積分?jǐn)?shù)匕(：/^1復(fù)合材料 的制備方法是按以下步驟進(jìn)行：
[0026] -、按體積分?jǐn)?shù)稱取55 %~75 %碳化硼和25 %~45 %鋁或鋁合金；所述碳化硼是