CN101935037A - 一种核石墨材料组合及预处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种核石墨材料组合及预处理方法，核石墨材料组合包括石油焦粉10-20份、沥青焦粉70-80份、石墨粉10-15份、煤沥青40-45份、表面活性剂1-3份。上述原料通过混捏、二次粉碎、等静压成型、焙烧等步骤制得核石墨材料。本发明使用国产原料，没有以碱金属为催化剂，利用等静压技术，所制备的核石墨材料成本低，各向同性均匀度高，抗氧化性能好。

Description

一种核石墨材料组合及预处理方法

技术领域

本发明属于石墨生产领域，尤其涉及一种核石墨材料组合及其处理技术领域。

背景技术

核石墨是应建造核裂变反应堆的需要而研究发展出来的石墨材料的一个分支，在生产堆、气冷堆和高温气冷堆中用作慢化、反射和堆芯结构材料，也是核聚变反应堆面向等离子体材料的很有希望的候选材料。

石墨材料主要由多晶石墨构成，属无机非金属材料，但它具有良好的热、电传导性而被称为半金属，有比金属更高的熔点和化学稳定性，常压下3600℃升华变成气体。核石墨是40年代初，应建造核裂变反应堆的需要而研究发展出来的石墨材料的一个分支，在生产堆、气冷堆和高温气冷堆中用作慢化、反射和结构材料。石墨也是核聚变反应堆面向等离子体材料的很有希望的候选材料。铀的易裂变同位素U-235吸收中子后发生核裂变：

U-235+n→2F+2n～3n+200MeV

核工程的任务就是安全、有效地利用核裂变释放出来的中子和巨大能量。中子与原子核发生反应的几率称之为截面，U-235的热中子(平均能量为0.025eV)裂变截面比裂变中子(平均能量为2eV)裂变截面高两个等级。为了有效地利用裂变释放出来的中子，应使其慢化下来。中子慢化的机制是中子与慢化材料原子的弹性散射(碰撞)，把其携带的能量传递给慢化材料的原子。对慢化材料的基本要求是：中子散射截面大，吸收截面小，质量数低，单位体积内的原子密度高。石墨是除重水外最好的慢化材料。

提高中子利用率的另一措施是用反射材料把泄漏出核裂变反应区--堆芯的中子反射回去，中子反射的机制也是中子与反射材料原子的弹性散射。对反射材料的要求与对慢化材料的要求相同，石墨也是良好的反射材料。

高温气冷堆的工作温度在1000℃以上，石墨是唯一可使用的慢化，反射和结构材料。

石墨的辐照损伤对反应堆，特别是球床高温气冷堆的技术经济性能具有决定性的作用。为保证反应堆安全，高效运行，石墨的辐照损伤应尽可能小。作为反应堆构件来说，尺寸各向异性变化最为有害，所以稳定性以及石墨材料的各向同性度是核石墨的关键指标。

生产各向同性石墨材料的关键是：各向同性焦以及等静压成型。

国外生产各向同性焦的一般方法是：

1、(日本专利：昭58-23324)以碱金属为催化剂以煤沥青、石油沥青、合成树脂、天然高分子化合物及其它多环芳香类的碳氢化合物与它们的溶剂，生产各向同性焦。

2、(日本：特公昭58-1042)将原料焦炭粉碎到100目以下(0.15mm)，与粘结剂一起进行混合，混合物经冷却后，再粉碎至28目以下，并用等静压法成型，最后再于熔融金属中浸渍，于流体压力下烧成，制造高密度各向同性焦。

上述专利制造工艺复杂，昭58-23324由于碱金属的存在降低了材料抗氧化性能，同时也增加了核石墨的提纯难度；特公昭58-1042虽应用了等静压成型，但由于该发明中颗粒组成很粗，难以有效降低焦碳颗粒的“长宽比”于生成各向同性焦不利，在熔融金属中浸渍更增加了制造环节提高了制造成本。

发明内容

本发明根据现有技术的不足公开了一种核石墨材料组合及预处理方法。本发明利用国产原料通过原料预处理进行原始材料改性，生产各向同性焦，为生产各向同性度好、抗辐照能力强、价格低廉的核石墨，提供优良的原料。

本发明通过以下技术方案实现：

核石墨材料组合，其重量份数由下列组分组成：

石油焦粉10-20份；

沥青焦粉70-80份；

石墨粉10-15份；

煤沥青40-45份；

表面活性剂1-3份。

其中表面活性剂是：硬脂酸，化学名：十八烷酸，又称：十八酸；十八碳烷酸；

上述核石墨材料组合通过以下方法制备：

A、将上述核石墨材料分别研磨，使粒径不大于25μm；

B、将A步骤制备的各成分按比例混合并进行混捏；

C、将B步骤所得产品二次粉碎，粒径不大于43μm；

D、将C步骤所得产品模压预成型，体积密度≤1.2g/cm3；

F、将D步骤所得产品等静压成型，成型压力180MPa；

G、将F步骤所得产品焙烧，焙烧最高温度1250℃；

H、将G步骤所得产品破碎完成预处理。

进一步所述A步骤研磨后，使粒径优选15～22μm。

上述混捏、二次粉碎、等静压成型、焙烧和破碎步骤单独应用时是常规处理技术。

上述将石油焦、沥青焦、石墨粉磨至平均粒度不超过25μm以及添加表面活性剂使初始原料通过原料预处理，以提降低原料的孔隙率，提高原料的颗粒强度；提高原料均匀性，提高原料的各向同性度。

上述原料预处理利用等静压成型的特点。等静压成型是将待压物料经过密封后置于高压容器中，利用液体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对物料进行均匀加压，当液体介质通过压力泵注入压力容器时，根据流体力学原理，其压强大小不变且均匀地传递到各个方向，因此高压容器中的粉料在各个方向上受到的压力是均匀的和大小一致的。采用等静压成型技术进行原料预处理，从成型条件上即赋予原料各向同性的性质，经焙烧利于生成各向同性焦。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明产品所使用原料辅料全部为国产原料，供应来源稳定有保障。利用全国产普通原料改性制备各向同性焦碳，降低了核石墨材料的制造成本。

2、初始原料预处理时采用：将各种原始原料破碎至平均颗粒不超过25μm，降低原料的“长宽比”再经混捏、模压预成型、等静压成型、焙烧，降低了原始原料的孔隙率、提高了原料颗粒强度和各向同性均匀度。

3、本发明没有以碱金属为催化剂，抗氧化性能好，使核石墨的提纯更容易；本发明采用的表面活性剂属于高纯度的含碳有机物，添加的目的是提高粘结剂浸润性，可充分填充焦炭粒度的孔隙中，提高提高了材料体积密度及颗粒强度；同时本发明没有熔融金属中浸渍步骤，减少制造环节降低了制造成本。

4、经本发明处理后的原料制造的各向同性石墨材料，各向同性度优异，体积密度、机械强度、热导率高；电阻率、热膨胀系数降低，良好地体现了设计思路。技术质量指标达到了核石墨材料除辐照实验以外的全部物理指标。

具体实施方式

实施例一

本实施例的核石墨材料制造用原料含有以下重量份的组分：

石油焦粉20份，沥青焦粉70份，石墨粉10份，表面活性剂1-3份，煤沥青40-45份。制备时将磨至15～22μm上述粉料，通过混捏、二次粉碎、模压预成型、等静压成型、焙烧、破碎，即成核石墨制造用原料。制成原料参数见下表。

实施例二

本实施例的核石墨材料制造用原料含有以下重量份的组分：

石油焦粉10份，沥青焦粉80份，石墨粉15份，表面活性剂1-3份，煤沥青40-45份。制备时将磨至15～22μm上述粉料，通过混捏、二次粉碎、模压预成型、等静压成型、焙烧、破碎，即成核石墨制造用原料。制成原料参数见下表。

上述方案实施过程中其它工艺条件不变。

用本发明预处理原料制造的核石墨材料理化指标

本发明采用细化组成颗粒配方以及等静压成型方式对国产普通原料进行预处理，制备符合生产核石墨的原料，经本发明处理的原料可用于生产：各向同性度好、机械强度高、热膨胀系数低、抗辐照能力强、价格低廉的各向同性核石墨材料。

Claims (3)

1.一种核石墨材料组合，其特征是按重量份数由下列组分组成：

石油焦粉10-20份；

沥青焦粉70-80份；

石墨粉10-15份；

煤沥青40-45份；

表面活性剂1-3份。

2.一种权利要求1所述的核石墨材料组合的预处理方法，其特征是包括下列步骤：

A、将权利要求1所述的材料分别研磨，使粒径不大于25μm；

B、将A步骤制备的各成分按比例混合并进行混捏；

C、将B步骤所得产品二次粉碎，粒径不大于43μm；

D、将C步骤所得产品模压预成型，体积密度≤1.2g/cm³

F、将D步骤所得产品等静压成型，成型压力180MPa；

G、将F步骤所得产品焙烧，焙烧最高温度1250℃；

H、将G步骤所得产品破碎完成预处理。

3.根据权利要求2所述的预处理方法，其特征是：所述A步骤研磨后，使粒径优选15～22μm。