選擇性通過材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種選擇性通過材料及其制備方法，尤其是一種透氦阻钚的選擇性通過材料及其制備方法，屬于材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]238Pu同位素溫差電池是將238Pu的α衰變熱能轉(zhuǎn)換成電能的一種電源，具有體積小、比功率高、可靠性高等特點(diǎn)，238Pu的半衰期更是長達(dá)87.4年，其使用壽命遠(yuǎn)超普通化學(xué)電池和太陽能電池，因此在航天深空探測、海洋或極地信號采集、武器裝備等諸多領(lǐng)域中具有重大應(yīng)用價(jià)值。
[0003]由于238Pu為極毒的放射性核素，為了防止238Pu的泄漏，必須將陶瓷化的PuO2M料封裝在一個耐沖擊、耐高溫、耐腐蝕的容器中，稱作燃料盒。同時，238Pu的α衰變率是
6.335 X 1llS^V1,每克238Pu—年因α衰變釋放出來的氦氣約0.74cm3。如果產(chǎn)生的氦氣得不到有效釋放，隨著時間推移，燃料盒內(nèi)壓力逐漸增大導(dǎo)致其最終破裂，造成238Pu放射性泄漏事故。燃料盒內(nèi)壓力的存在，也會大大降低其抗沖擊性能，增加破損幾率。因此，燃料盒上必須設(shè)計(jì)有專門的透氦阻钚窗，在一定壓力和溫度下，氦能緩慢透出，而二氧化钚及其氣溶膠無法滲出。
[0004]透氦阻钚材料的設(shè)計(jì)與制造至關(guān)重要，也是238Pu同位素溫差電池研制的難點(diǎn)。美國在該透氦阻钚材料方面已有四十多年的研宄，公開資料報(bào)道其使用非晶態(tài)金屬材料，成品率低且難以控制，詳細(xì)制備工藝迄今仍未公開，國內(nèi)更無相關(guān)研宄報(bào)道。非晶態(tài)金屬的制備可以通過將液態(tài)金屬急冷的方式制備，通過快速凝固阻止晶體的形成，使原子來不及恢復(fù)到正常的晶格結(jié)構(gòu)就固定下來，形成類似液態(tài)無序的玻璃體結(jié)構(gòu)，氦氣通過無序的孔道排出。然而，采用上述急冷工藝制得透氦窗材料后，還必須將其焊接到燃料盒上，在焊接熱處理過程，透氦窗材料微觀結(jié)構(gòu)會發(fā)生非晶到晶體的轉(zhuǎn)化，影響透氦和阻钚性能。由于此種工藝制得的透氦窗是燃料盒力學(xué)性能的最薄弱部位，面積有限制，也很難通過后續(xù)的力學(xué)沖擊考核。由于上述原因，美國工藝制備的透氦窗成品率低且難以控制質(zhì)量。
[0005]kiB與中子的核反應(yīng)m+、一 7Li+4He0 kiB本身就是優(yōu)異的中子吸收核素，上述反應(yīng)具有很大截面，對于熱中子，截面3837巴恩。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的發(fā)明目的在于:針對上述存在的問題，提供一種透氦阻钚的選擇性通過材料及其制備方法，以解決上述問題。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
選擇性通過材料，所述材料上有用于氦氣通過的通道，該通道是由材料經(jīng)中子照射產(chǎn)生氦，再通過氦氣釋放而形成的。
[0008]本發(fā)明的選擇性通過材料，材料基材的選擇原則是能夠滿足使用環(huán)境所需要的機(jī)械性能、能夠滿足氦氣釋放過程形成氦氣通道的性能、在中子照射中具有一定穩(wěn)定性的性能，和后期在氦氣釋放過程處理中的穩(wěn)定性。可根據(jù)選擇性通過材料使用的環(huán)境，在金屬材料、非金屬材料或無機(jī)材料中選擇合適的材料作為基材，較優(yōu)的選擇金屬作為基材，如鈦、鈀、鉑和銅等；材料中含有在中子照射中產(chǎn)生氦的物質(zhì)，典型的如含kiB的單質(zhì)或化合物，再通過氦氣釋放處理過程而形成該選擇性通過材料。
[0009]進(jìn)一步的，所述材料的原料包含作為基材的金屬和含有kiB的單質(zhì)/化合物，并通過以下步驟制備:
Ca)將粉末狀金屬和粉末狀wB的單質(zhì)/化合物混合，通過燒結(jié)制得基體；
(b)將所得基體進(jìn)行中子照射；
(C)將中子照射后的基體進(jìn)行加熱處理以釋放中子照射產(chǎn)生的氦，而成選擇性通過材料。
[0010]為了提高金屬粉末和含kiB粉末混合的均勻性，較好的，金屬粉末的粒徑為微米級，kiB的單質(zhì)/化合物粉末的粒徑為納米級。
[0011]所述步驟(a)中，粉末狀金屬和粉末狀kiB的單質(zhì)/化合物混合便于混合的均勻。所述燒結(jié)過程與粉末冶金原理相同，能夠形成具有機(jī)械強(qiáng)度的材料，并且能夠使其在步驟Ca)中具備良好的氦釋放能力。
[0012]進(jìn)一步的，所述金屬為鈦。鈦是優(yōu)異的金屬材料，熔點(diǎn)高達(dá)1670°C，中子照射后不會產(chǎn)生長壽命放射性核素，活化性低。用高比強(qiáng)度和密度小的鈦?zhàn)鳛榛w材料，特別適合于航天深空探測；同時，鈦的耐腐蝕性極強(qiáng)，可以長期放置海底或其他極限環(huán)境。
[0013]進(jìn)一步的，粉末狀鈦的純度大于99.9%，粒徑小于10微米。
[0014]進(jìn)一步的，所述含有kiB的化合物為硼化鈦。硼化鈦?zhàn)鳛殁伒幕衔?，保證其與粉末狀的金屬鈦混合的均勻性，有利于提高選擇性通過材料的性能，也能保證基材的一致性。
[0015]進(jìn)一步的，粉末狀硼化鈦的純度大于99.9%，粒徑小于50納米。
[0016]鈦粉和硼化鈦均是容易得到的原材料。較高純度的鈦和硼化鈦使得基體具有較佳的中子照射的穩(wěn)定性，較細(xì)的粒徑保證具有良好的混合性能，進(jìn)而有利于氦氣通過通道的形成。
[0017]進(jìn)一步的，所述步驟(a)中，燒結(jié)過程是在真空下進(jìn)行，燒結(jié)溫度大于1000°C。
[0018]進(jìn)一步的，所述步驟(a)處理過程中，鈦和硼化鈦的混合物是放入等靜壓設(shè)備中，其操作壓力不低于80Mpa，以優(yōu)化燒結(jié)后基材的機(jī)械性能。燒結(jié)過程真空度不低于10_3Pa，以進(jìn)一步避免燒結(jié)過程中發(fā)生氧化。
[0019]進(jìn)一步的，所述步驟(C)中，加熱處理過程是在真空下進(jìn)行，加熱處理溫度為300-800。。。
[0020]進(jìn)一步的，加熱處理過程真空度不低于10_3Pa，以進(jìn)一步避免加熱處理過程中發(fā)生氧化。
[0021]另外，所述中子照射過程的操作如下:將燒結(jié)得到的基體裝入高純鋁罐內(nèi)，送入反應(yīng)堆孔道內(nèi)照射。根據(jù)硼摻雜比例，中子通量率，確定照射時間充分照射，目的在于使kiB完全與中子反應(yīng)；將照射后樣品取出后放入鉛罐冷卻，冷卻時間通過γ劑量確定。
[0022]在本發(fā)明中所述金屬和kiB單質(zhì)/化合物的混合物中，以kiB計(jì)，kiB與混合物的質(zhì)量比為0.1%-5%。即kiB含有量為整個混合物的0.1%-5%，以利于形成性能優(yōu)良的氦氣通過通道。
[0023]進(jìn)一步的，還包括步驟(d)，所述步驟(d)是將步驟(C)得到的選擇性通過材料進(jìn)行表面處理，以滿足選擇性通過材料的使用環(huán)境要求。
[0024]選擇性通過材料進(jìn)行表面處理包括以下步驟:(1)用丙酮超聲清洗透氦材料片材；(2)用超純水清洗；(3)采用硫酸二亞硝基亞鉑酸體系表面電鍍。
[0025]一種選擇性通過材料的制備方法，包含如下步驟:
Ca)將粉末狀金屬和粉末狀wB的單質(zhì)/化合物混合，通過燒結(jié)制得基體；
(b)將所得基體進(jìn)行中子照射；
(C)將中子照射后的基體進(jìn)行加熱處理以釋放中子照射產(chǎn)生的氦，而成選擇性通過材料。
[0026]進(jìn)一步的，所述金屬為鈦，所述含有kiB的化合物為硼化鈦。
[0027]制備方法的所述步驟(a)中，燒結(jié)過程是在真空下進(jìn)行，燒結(jié)溫度大于1000°C。
[0028]制備方法的所述步驟(C)中，加熱處理過程是在真空下進(jìn)行，加熱處理溫度為300-800。。。
[0029]制備方法的所述金屬和kiB單質(zhì)/化合物的混合物中，以kiB計(jì)，kiB與混合物的質(zhì)量比為0.1%-5%。
[0030]在本發(fā)明中，粉末狀金屬和含kiB的化合物需盡量避免引入其他會在中子照射中發(fā)生活化的元素，以提高選擇性通過材料的可使用范圍。
[0031]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明解決了 238Pu透氦阻钚材料制備難題，巧妙利用kiB與中子產(chǎn)生氦這一特點(diǎn)，量身打造氦原子擴(kuò)散的專屬通道，具有優(yōu)異的選擇性通過性能，并且優(yōu)選摻硼鈦合金使得制備過程每個步驟條件容易控制，避免了國外工藝成品率低和質(zhì)量不穩(wěn)定弱點(diǎn)，本發(fā)明還可以作為透氦窗材料推廣應(yīng)用于238Pu以外的α衰變同位素。
【具體實(shí)施方式】
[0032]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0033]本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
[0034]本發(fā)明的選擇性通過材料，所述材料上有用于氦氣通過的通道，該通道是由材料經(jīng)中子照射產(chǎn)生氦，再通過氦氣釋放而形成的。
[0035]該材料的原料包含作為基材的金屬和含有wB的單質(zhì)/化合物，并通過以下步驟制備:
Ca)將粉末狀金屬和粉末狀wB單質(zhì)/化合物混合，通過燒結(jié)制得基體 (b)將所得基體進(jìn)行中子照射；
(C)將中子照射后的基體進(jìn)行加熱處理以釋放中子照射產(chǎn)生的氦，而成。
[0036]實(shí)施例1
本實(shí)施例中，選擇性通過材料的原料為鈦和含有kiB的硼化鈦。鈦的純度大于99.9%，粉末狀，粒徑小于10微米，硼化鈦純度大于99.9%，粉末狀，粒徑小于50納米。通過以下步驟制備:
(a)以硼化鈦中的kiB質(zhì)量計(jì)算，按照kiB質(zhì)量比為0.1%配比進(jìn)行鈦粉和硼化鈦粉的配料，采用球磨混勻，球磨時間2h，將混物料放入等靜壓設(shè)備，等靜壓設(shè)備操作壓力為80Mpa，在真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，真空度為10_3Pa，燒結(jié)溫度為1000°C，燒結(jié)時間2h，得到材料的基體；(b )將所得基體封裝入高純鋁罐內(nèi)，送入反應(yīng)堆孔道內(nèi)進(jìn)行中子照射處理，根據(jù)硼摻雜比例和中子通量率，確定照射時間，再將照射后樣品取出后放入鉛罐冷卻，冷卻時間通過γ劑量確定；
(C)將中子照射處理的基體放入真空爐中進(jìn)行加熱處理，以釋放中子照射產(chǎn)生的氦，真空爐的真空度為10_3Pa，加熱處理溫度300°C，時間24h。
[0037]制得具有透氦阻钚的選擇性通過材料，經(jīng)檢測透氦極限平衡壓為8atm，能滿足使用。
[0038]實(shí)施例2
本實(shí)施例中，選擇性通過材料的原料為鈦和含有kiB的硼化鈦。鈦的純度大于99.9%，粉末狀，粒徑小于10微米，硼化鈦純度大于99.9%，粉末狀，粒徑小于50納米。通過以下步驟制備:
Ca)以硼化鈦中的kiB計(jì)算，按照kiB質(zhì)量比為1%配比進(jìn)行鈦粉和硼化鈦粉的配料，采用球磨混勻，球磨時間2h，將混物料放入等靜壓設(shè)備，等靜壓設(shè)備操作壓力為85Mpa，在真空燒結(jié)爐中燒結(jié)，真空度為10_3Pa，燒結(jié)溫度為1200°C，燒結(jié)時間2h，得到材料的基體；
(b )將所得基體封裝入高純鋁罐內(nèi)，送入反應(yīng)堆孔道內(nèi)