一種熱中子吸收隔離塊陶瓷材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種陶瓷材料的制備方法，尤其涉及一種熱中子吸收隔離塊陶瓷材料 的制備方法，屬于材料科學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱中子反應(yīng)堆高放射性核乏廢料在貯運(yùn)過程中，不可避免的向環(huán)境釋放熱中子。 中子吸收材料可以吸收核乏廢料中釋放出的熱中子，維持核乏廢料在次臨界狀態(tài)，以保證 核乏廢料安全。
[0003] 硼是自然界資源豐富的元素，硼元素由于自身較高的熱中子吸收截面而具有良好 的熱中子吸收能力，其熱中子吸收截面為752b，并在較寬的中子能量范圍內(nèi)服從1/V吸收 規(guī)律。硼吸收中子后，不會產(chǎn)生較大的剩余感生放射性。因此，核反應(yīng)堆乏燃料貯運(yùn)用中 子吸收材料常添加硼作為中子吸收元素。目前國內(nèi)外常用的含硼中子吸收材料包括硼鋼、 B4CAl復(fù)合材料、硼鋁合金、含硼有機(jī)聚合物，而碳化硼的報道相對較少。
[0004] 由于硼在不銹鋼中的溶解度低，過量的硼加入會析出硼化物，導(dǎo)致熱延性大大降 低，而且制備高硼含量的硼鋼是非常困難的。而硼鋁合金類似于硼鋼，硼在鋁中的溶解度 非常低，僅有限量的硼與鋁合金化，且在晶界上形成富硼的硼化物，增加了材料的脆性。相 比于金屬材料，有機(jī)聚合物中子吸收材料更易遭受輻射損傷。長期輻照一般使聚合物的分 子量減少，軟化溫度下降，而溶解度增加，同時由于該類材料使用溫度通常有一定限度，因 此有機(jī)聚合物材料在高放射性的乏燃料貯存水池或運(yùn)輸容器的應(yīng)用中受到一定限制。對于 B4CAl復(fù)合材料，其研宄已經(jīng)超過40年，并且已被成功用作乏燃料貯運(yùn)中子吸收材料，但存 在成本較高，燒結(jié)困難以及很難與基體材料熔融混合等問題，因此其制備工藝的完善及性 能的改進(jìn)方面仍需要進(jìn)一步的研宄。
[0005] 相比于上述幾種材料，碳化硼具有高熔點(diǎn)、高硬度、低密度以及良好的熱穩(wěn)定性及 耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，并且在中子輻照下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因此碳化硼常被用作固態(tài)中子吸收劑。但由于 碳化硼韌性差，過高的燒結(jié)溫度，抗氧化性差，對金屬的穩(wěn)定性較差，并且很難燒結(jié)致密等 缺點(diǎn)而大大限制了其應(yīng)用，為改善碳化硼材料的使用，需要降低碳化硼的燒結(jié)溫度，并且提 高它的強(qiáng)度以及斷裂韌性，以及改善其抗氧化行為。碳化硅具有高溫強(qiáng)度高，高溫蠕變性小 以及抗氧化性好的優(yōu)點(diǎn)，為降低燒結(jié)溫度，改善碳化硼燒結(jié)困難，并提高碳化硼的致密性， 改善其力學(xué)性能，把碳化硼和碳化娃做成熱中子吸收復(fù)合材料是一種不錯的選擇。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明針對現(xiàn)有熱中子吸收隔離塊材料的不足，提供一種核乏廢料熱中子吸收隔 離塊陶瓷材料的制備方法。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下：一種熱中子吸收隔離塊陶瓷材料的制 備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：
[0008] (1)取碳化硼80~90重量份，碳粉5~18重量份，燒結(jié)助劑1~5重量份作為原 料放入去離子水中，去離子水作為溶劑，瑪瑙球作為研磨介質(zhì)，再向其中添加粘結(jié)劑和分散 劑，球磨混合5~20小時形成水基碳化硼漿料，所述粘結(jié)劑的重量是原料總量的0. 5%~ 1. 5%，所述分散劑的重量是原料總量的0. 5%~1. 5%，所述原料與去離子水的重量比為 1:1 ~7:3 ;
[0009] (2)將步驟（1)中所得的漿料放入干燥箱中于65°C恒溫干燥，將干燥后的粉體過 200目篩，采用酚醛樹脂溶液將過篩后的粉體進(jìn)行手動造粒，造粒的粉體過60目篩，得碳化 硼復(fù)合粉體造粉粒，所述酚醛樹脂溶液的濃度為IOwt%，所述酚醛樹脂溶液的重量為粉體 重量的10% ;
[0010] (3)將步驟（2)中所得的復(fù)合粉體造粉粒于80~120Mpa下干壓成型，獲得碳化硼 陶瓷素還；
[0011] (4)將步驟（3)中所得的碳化硼陶瓷素坯放入反應(yīng)燒結(jié)爐中，每100重量份陶瓷 素坯中加入1~3重量份的硅片進(jìn)行真空滲硅反應(yīng)燒結(jié)，制得反應(yīng)燒結(jié)碳化硼陶瓷，真空燒 結(jié)過程為：低溫500~900°C，保持3~5小時，中溫900~1450°C，保持4~6小時，高溫 1450~1700°C，保持1~3小時，升溫速度5-10°C/min;
[0012] (5)步驟（4)中所得的碳化硼陶瓷塊經(jīng)機(jī)械加工、拋光處理，最終得到所需形狀和 尺寸的碳化硼基復(fù)合陶瓷材料。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：
[0014] (1)本方法制備得到的陶瓷塊不僅對熱中子吸收效率高，而且抗彎強(qiáng)度高，即具有 良好的韌性，彌補(bǔ)了碳化硼韌性差的缺點(diǎn)。
[0015] (2)采用去離子水作為溶劑進(jìn)行球磨混料，不但能降低生產(chǎn)成本，還能保證生產(chǎn)過 程的安全，適于批量生產(chǎn)。
[0016] (3)球磨混合漿料中所添加的粘結(jié)劑和分散劑，可以保證水基碳化硼漿料即使在 固相含量較高的情況下，仍然保持較小的粘度、良好的流動性和穩(wěn)定性能，并且能夠滿足手 動造粒的工藝技術(shù)要求，從而制備出高質(zhì)量碳化硼復(fù)合粉體造粉粒。
[0017] (4)真空滲硅反應(yīng)燒結(jié)溫度為1500~1700°C，較傳統(tǒng)的熱壓燒結(jié)和無壓燒結(jié)工藝 具有下列特點(diǎn)：①在比無壓燒結(jié)或熱壓燒結(jié)時低得多的溫度和較短的時間下可以完成致密 化過程，這樣材料在高溫下發(fā)生的諸多不利反應(yīng)與變化可以得到有效的抑制。例如，高溫分 解和晶粒的異常長大等。②具有制備復(fù)雜形狀、大尺寸部件的能力。③減小后加工成本，較 易獲得凈尺寸制品。
[0018] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。
[0019] 進(jìn)一步，步驟（1)中所述燒結(jié)助劑為硼。
[0020] 進(jìn)一步，步驟（1)中所述粘結(jié)劑為酚醛樹脂。
[0021] 進(jìn)一步，步驟（1)中所述分散劑為聚丙烯酸。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明實施例1-3復(fù)合陶瓷樣品的XRD圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明實施例1復(fù)合陶瓷樣品的SEM圖；
[0024]圖1中，（1)、實施例1 ; (2)、實施例2 ; (3)、實施例3 ;
【具體實施方式】
[0025] 以下結(jié)合實例對本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0026] 實施例1:
[0027] (1)取碳化硼800g、碳粉180g、硼20g放入去離子水中，去離子水作為溶劑，瑪瑙球 作為研磨介質(zhì)，再向其中添加5g酚醛樹脂和IOg聚丙烯酸，球磨5小時獲得水基碳化硼漿 料；
[0028] (2)將步驟（1)中所得漿料置于干燥箱中65°C恒溫干燥10小時，將干燥后的粉體 過200目篩，過篩后的粉體使用質(zhì)量濃度為10%的酷醛樹脂溶液100g進(jìn)行手動造粒，造粒 后的粉體過60目篩，得碳化硼復(fù)合粉體造粉粒；
[0029] (3)將步驟（2)中所得的復(fù)合粉體造粉粒于120Mpa下干壓成型，獲得正六邊形 R57mm*15mm碳化硼陶瓷素還；
[0030] (4)將步驟（3)中所得的碳化硼陶瓷素坯放入反應(yīng)燒結(jié)爐中，向其中加入20g硅 片進(jìn)行真空滲硅反應(yīng)，真空燒結(jié)過程為：升溫速度5°C/min，低溫900°C，保持4小時，中溫 1200°C，保持5小時，高溫1600°C，保持2小時，之后隨爐降溫；
[0031] (5)步驟⑷中所得的碳化硼陶瓷塊經(jīng)機(jī)械加工、拋光處理，最終得到所需正六邊 形R57mm*15mm的碳化硼基復(fù)