一種氧化釓陶瓷及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氧化釓陶瓷及其制備方法，具體涉及一種利用氧化氣氛無壓燒結致密氧化釓陶瓷的制備方法，屬于核工業(yè)防護材料技術領域。
【背景技術】
[0002]在核反應堆堆芯組件中，中子吸收材料是僅次于燃料元件的重要功能元件。常用的吸收材料包括B4C、硼鋼、Ag-1n-Cd合金等，其中，碳化硼和硼鋼等硼材料的應用比例非常大。然而，由于kiB發(fā)生(η，α)反應，含硼材料在輻照時產(chǎn)成氦氣，形成氦泡，引起膨脹，導致材料失效，限制了含硼材料的應用。
[0003]稀土元素中的許多元素對熱中子的吸收截面比目前常用的硼和鎘高出幾十倍，并且對慢中子和中能中子的反應截面也比后者高出許多，對高能中子的反應截面也比鉻高。例如鑭系稀土元素釓的兩種同位素155Gd和157Gd具有極大的熱中子吸收截面，前者為61000barn，后者為254000barn，平均吸收截面為36300barn ;釓不僅熱中子吸收截面大，第一激發(fā)態(tài)的能量也很低，較容易與中子發(fā)生非彈性散射，使中子較快得到慢化，將其摻入復合材料中可極大提高材料的中子屏蔽性能，因此是一種重要的中子吸收材料。
[0004]現(xiàn)階段對釓優(yōu)良的中子吸收性能的應用主要集中在將金屬釓摻雜在合金中或將氧化釓加入高分子基體中。美國愛達荷州國家實驗室研宄了一種抗腐蝕的鎳一鉻一鉬一禮合金中子吸收材料(Kenneth D Kok.Nuclear engineering handbook [Μ].New York: CRCPress，2009)。禮不銹鋼合金又是一種由美國能源部資助研宄的中子吸收材料(Du Pont JN, Robino C V, M izia R E.Development of Gelenriched alloys for spent nuclear fuelapplicat1ns.Part I!Preliminary characterizat1n of small scale Gd—enrichedstainless steels [J].J Mater Eng Perform, 2003, 2(2):206)。禮在不銹鋼或鎮(zhèn)基金屬中沒有溶解性，在晶界上易形成一種富釓的第二相共晶產(chǎn)物(Ni，Cr)Gd，熱軋易產(chǎn)生第二相，并引起各向異性。彭鳳梅等(彭鳳梅.復合材料對14MeV中子源屏蔽的M-C模擬研宄[D].東華理工大學，2012.)將氧化釓摻入復合材料中極大提高了材料的中子屏蔽性能。氧化釓陶瓷具有機械強度高，耐磨性、耐腐蝕性好，熱穩(wěn)定性能優(yōu)良等優(yōu)點，但氧化釓陶瓷作為中子吸收材料這方面的研宄還比較少。
[0005]但是，在前期的研宄中發(fā)現(xiàn)，純的氧化釓陶瓷，即使達到高的致密度，在熱水中長時間浸泡仍然會發(fā)生水解，影響其使用范圍。因此，對氧化釓陶瓷進行改善，克服上述問題，具有重要意義。

【發(fā)明內容】

[0006]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種氧化釓陶瓷及其制備方法。
[0007]術語說明:
[0008]d5Q:也叫中位徑或中值粒徑，是指粉體材料的累積粒度分布百分數(shù)達到50%時達到的粒徑。
[0009]本發(fā)明技術方案如下:
[0010]一種氧化釓陶瓷，由以下質量份的原料組成制得:
[0011 ] 氧化釓粉體95?99.5份和釔鋁石榴石0.5?5份；
[0012]或者，氧化釓粉體95?99.5份和氧化鈦0.5?5份；
[0013]或者，氧化釓粉體95?99.5份和氧化鋁0.5?5份。
[0014]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的氧化釓陶瓷，由以下質量份的原料組成制得:
[0015]氧化釓粉體96?98份和釔鋁石榴石2?4份；
[0016]或者，氧化禮粉體98?99份和氧化鈦I?2份；
[0017]或者，氧化釓粉體98?99份和氧化鋁I?2份。
[0018]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述的氧化釓粉體，Gd2O3含量彡98%, d50^ 3μπι ；
[0019]所述的釔鋁石榴石，Y3Al5O12含量彡95%, d50^ 5μπι;
[0020]所述的氧化鈦，T12含量彡98%, d50^ 3μπι；
[0021]所述的氧化鋁，Al2O3含量彡98%，K 3 μ m，均為質量百分比含量。
[0022]本發(fā)明所用原料，均為市售常用原料。
[0023]根據(jù)本發(fā)明，上述氧化釓陶瓷制備方法，步驟如下:
[0024](I)按質量份，按如下三種方案之一配料:
[0025]氧化釓粉體95?99.5份和釔鋁石榴石0.5?5份；
[0026]或者，氧化釓粉體95?99.5份和氧化鈦0.5?5份；
[0027]或者，氧化釓粉體95?99.5份和氧化鋁0.5?5份；
[0028]以無水乙醇為介質，以氧化鋯球石為研磨介質，球磨混合2?5h，將球磨混合的料漿在真空環(huán)境下烘干，得混合粉體；
[0029](2)將步驟(I)制得混合粉體添加粘結劑，在15?30MPa預壓成型，然后在100?ISOMPa壓力下等靜壓成型，得成型坯體；
[0030](3)將步驟(2)得到的成型坯體干燥，升溫至1400?1650°C，在氧化氣氛下，保溫燒結15?120min，自然冷卻，即得氧化釓陶瓷。
[0031]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟⑵中所述的粘結劑為濃度為5?七％的PVA溶液，粘結劑的添加量為混合粉體總質量的5%。；
[0032]優(yōu)選的，預壓成型的壓力為30MPa，等靜壓成型的壓力為180MPa。
[0033]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，步驟(3)中所述的保溫燒結的溫度為1550°C，保溫燒結時間為 60min ；
[0034]優(yōu)選的，升溫的速率為:1000°C以下 10-20°C /min, 1000°C之上為 5_10°C /min。
[0035]本發(fā)明的原理:
[0036]本發(fā)明為了解決純的氧化釓陶瓷在熱水中長時間浸泡仍然會發(fā)生水解的問題，采取向氧化釓陶瓷基體中加入一定量的釔鋁石榴石、氧化鋁或氧化鈦，使水解現(xiàn)象加以改善。氧化鋁或者氧化鈦的加入，可以生成一部分鋁酸釓或者鈦酸釓相，均勻地分布在氧化釓陶瓷基體中。第二相的存在，一是使兩相界面上的熔點降至共熔點，促進物質傳輸，使陶瓷更加致密，二是起粘結作用，填充內部氣孔，阻止水分子浸入陶瓷內部，從而改善水解現(xiàn)象。釔鋁石榴石的加入作用和氧化鋁或者氧化鈦類似。
[0037]本發(fā)明的有益效果如下:
[0038]1、本發(fā)明的氧化釓陶瓷具有高的相對密度、高的釓含量、高的中子吸收能力等特點。
[0039]2、本發(fā)明通過在原料中加入一定量釔鋁石榴石、氧化鈦、氧化鋁等添加劑，有效解決了氧化釓陶瓷在熱水中長期浸泡易粉化的問題，提高了其對環(huán)境的適應能力。
[0040]3、氧化釓陶瓷相較于其他復合材料可以承受較高的溫度，擴展其應用范圍，可用于制作核反應堆中的控制棒、調節(jié)棒、事故棒、安全棒、屏蔽棒等中子吸收材料。將其做成陶瓷坩禍，可用于放射性物質的熔融冶煉。還可以作為靶材濺射在玻璃等物體表面，廣泛應用于各種需要屏蔽中子輻射的場所。
[0041]4、本發(fā)明所述的制備方法工藝簡單、易操作，便于工業(yè)化生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0042]圖1為本發(fā)明實施例1所制得的樣品的X射線衍射圖譜；橫坐標是2Θ (° )，縱坐標是強度(任意單位)。
[0043]圖2為本發(fā)明實施例1所制得的樣品斷口的SEM照片。
【具體實施方式】
[0044]下面結合實施例對本發(fā)明的技術方案做進一步說明，但本發(fā)明所保護范圍不限于此。
[0045]原料的純度(含量)情況如下，均為質量百分含量:
[0046]實施例中所述的氧化釓含量多98%，釔鋁石榴石含量多95%，氧化鈦含量彡98%，氧化鋁含量彡98%，均市場購買，中位徑d5(l< 3ym。
[0047]實施例中所得氧化釓陶瓷產(chǎn)品的性能測定方法如下:
[0048]1、通過X射線衍射圖(XRD)測試所得氧化釓陶瓷的晶相。
[0049]2、采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析氧化釓陶瓷的斷口微觀形貌
[0050]3、壓縮強度，根據(jù)“工程陶瓷壓縮強度試驗方法”測定(GB8489 — 87)。
[0051]4、彎曲強度，根據(jù)“工程陶瓷彎曲強度試驗方法”測定(GB6569 — 86)。
[0052]5、燒結樣品的體積密度根據(jù)阿基米德原理，采用排水法測定。相對密度為所測體積密度占理論密度的百分數(shù)。
[0053]實施例1:
[0054]氧化釓陶瓷的具體原料組分如下:氧化釓98份，釔鋁石榴石2份。
[00