CN102115080B

CN102115080B - 一种10b碳化硼及其制备方法

Info

Publication number: CN102115080B
Application number: CN201110059574A
Authority: CN
Inventors: 吴旭光; 曹宝胜; 韩晓辉
Original assignee: Dalian Boronten Sci & Tech Co ltd
Current assignee: Dalian Boronten Sci & Tech Co ltd
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2031-03-14
Also published as: CN102115080A

Abstract

本发明涉及防护和控制材料技术领域，具体涉及一种¹⁰B碳化硼及其制备方法。本发明的¹⁰B碳化硼B₄C的含量为>97wt%,B₂O₃含量<0.3wt%，游离硼含量<1.3wt%，¹⁰B丰度为25～99%（at.)。制备方法如下：将¹⁰B丰度25～99%（at.)的硼酸粉75-85份、高纯石墨粉25-35份混合，混合粉料压成直径20mm、厚度10mm的压片颗粒，在100～200°C和500～700°C下进行分段焙烧脱水。将焙烧后压片颗粒放入感应加热炉或石墨加热炉中或电弧炉中进行碳化，碳化温度1855～2100°C，即得到符合质量要求的¹⁰B碳化硼产品。

Description

一种10B碳化硼及其制备方法

技术领域

本发明涉及防护和控制材料技术领域，具体涉及一种¹⁰B碳化硼及其制备方法。

背景技术

¹⁰B碳化硼中的¹⁰B具有较高的中子俘获截面，俘获能谱宽，吸收中子后不产生放射性同位素，二次射线能量低的特性，成为用于核反应堆的最重要中子吸收的首选材料。而且¹⁰B碳化硼具有优越的高温性质、极好的耐磨性、相当好的化学惰性以及特殊的辐射性质。其制品可在核反应堆中用作屏蔽防护材料和控制材料。

在专利申请号为200910231496.2，发明名称为“一种富¹⁰B碳化硼粉体及其制备方法”的发明专利申请中，将¹⁰B硼酸粉体和碳粉以无水乙醇为介质，球磨混合、烘干，在600～800°C下煅烧，将煅烧后的粉体磨细，放在石墨模具中在氩气或真空中、1700-1850°C进行碳化，保温时间20～30分钟，得富¹⁰B碳化硼粉体，其中B₄C含量大于97wt%,B₂O₃含量小于1wt%，残量碳含量小于2wt%；碳化硼粉体的中位粒径d₅₀≤3.5μm。这种方法所用的高纯碳粉，通常是指炭黑，它反应活性强，但易氧化。在混合¹⁰B硼酸粉体和碳粉时以无水乙醇为介质，增加了生产成本；在600～800°C温度下的一次煅烧造成含硼物料的飞扬，碳粉氧化，浪费了原料。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种¹⁰B碳化硼及其制备方法。

本发明的¹⁰B碳化硼其中B₄C的含量为>97wt%, B₂O₃含量<0.3wt%，游离硼含量<1.3wt%，¹⁰B丰度为25～99%（at.)，余量为不可避免的杂质。

本发明的¹⁰B碳化硼的制备方法按如下步骤进行：

（1）首先按质量份将¹⁰B丰度为25～99%(at.)的硼酸粉75～85份和石墨粉15～25份在混料机中混合5～8小时，得到混合粉料，其中硼酸粉纯度为99.9wt%，中位粒径d₅₀<300μm，石墨粉纯度为99.9wt%，中位粒径d₅₀<4μm；

（2）在压片机中将混合粉料压成直径为20mm，厚度为10mm的压片颗粒；

（3）将混合粉料压片颗粒放入陶瓷钵中，在马弗炉中进行分段焙烧脱水，在100～200°C温度条件下焙烧60分钟，使硼酸脱水成为偏硼酸和四硼酸后，再在500～700°C温度条件下焙烧60分钟，使偏硼酸和四硼酸完全脱水成为硼酐（B₂O₃)；

（4）使脱水后的混合粉料压片颗粒在温度为1855～2100°C条件下发生碳化反应后，保温60分钟，其中碳化反应是将混合粉料压片颗粒放入感应加热炉或石墨加热炉中，在氩气气氛保护，常压下进行加热碳化，或将混合粉料颗粒料放入电弧炉中，在空气中进行加热碳化；

（5）将碳化反应后的混合粉料压片颗粒冷却到室温后，在60°C条件下，采用质量浓度为20%的盐酸酸洗并在60°C条件下水洗即得到粉状的或海绵状的¹⁰B碳化硼。

与现有技术相比，本发明的特点及其有益效果是：

1.¹⁰B碳化硼中的¹⁰B具有较高的中子俘获截面，俘获能谱宽，吸收中子后不产生放射性同位素，二次射线能量低的特性，成为用于核反应堆的最重要中子吸收的首选材料，而且由于其具有优越的高温性质、极好的耐磨性、相当好的化学惰性以及特殊的辐射性质，所以本发明的高丰度的¹⁰B碳化硼制品可在核反应堆中用作屏蔽防护材料和控制材料；

2.本发明所使用的原料还原剂碳，为高纯石墨粉，混料时无需无水乙醇介质即可混合均匀；在 500～700°C温度下焙烧脱水时，避免了氧化损失；

3.本发明焙烧脱水采用不同温度分段作业，避免突然进入高温激烈脱水，造成昂贵的含硼物料的飞扬损失；

4.本发明高温碳化是在感应加热炉和石墨电阻炉中进行，焙烧脱水后的压片颗粒物料入炉，氩气保护，常压下操作，避免了由于抽真空将粉料抽入损坏真空系统，同时造成昂贵的¹⁰B₂O₃损失，电弧炉碳化无需氩气保护；

5.相对于现有技术本发明碳热还原法制备¹⁰B碳化硼采用较高的反应温度1855～2100°C，能保证反应充分；

6.本发明给出了三种高温炉制备¹⁰B碳化硼的工艺方法，根据条件和需要，采用最适合的工艺方法。

附图说明

图1是实施例1的¹⁰B碳化硼产品的粒度分布图，d₅₀=27.5μm。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细说明，但本发明的保护范围不仅限于下述的实施例。

实施例中所得产品的性能测定方法如下：粒度的测定是通过激光粒度分析仪实现；

¹⁰B丰度，采用电感耦合等离子体质谱法测定。

实施例1

（1）首先按质量份将¹⁰B丰度为99 %(at.)的硼酸粉75份和石墨粉25份在混料机中混合5小时，得到混合粉料，其中硼酸粉纯度为99.9wt%，中位粒径d₅₀<300μm，石墨粉纯度为99.9wt%，中位粒径d₅₀<4μm；

（3）将混合粉料压片颗粒放入陶瓷钵中，在马弗炉中进行分段焙烧脱水，在100°C温度条件下焙烧60分钟，使硼酸脱水成为偏硼酸和四硼酸后，再在700°C温度条件下焙烧60分钟，使偏硼酸和四硼酸完全脱水成为硼酐（B₂O₃)；

（4）使脱水后的混合粉料压片颗粒在温度为2100°C条件下发生碳化反应后，保温60分钟，其中碳化反应是将混合粉料压片颗粒放入感应加热炉，在氩气气氛保护，常压条件下进行加热碳化；

（5）将碳化反应后的混合粉料压片颗粒冷却到室温后，在60°C条件下，采用浓度为20wt%的盐酸酸洗后，在60°C条件下水洗，即得到粉状的¹⁰B碳化硼；

经北京化学试剂研究所检验，B₄C含量97.11wt%，总硼77.89wt%，游离硼0.589wt%，三氧化二硼0.16wt%，总碳21.00wt%；产品中¹⁰B丰度99%（at.)，余量为不可避免的杂质。

实施例2

（1）首先按质量份将¹⁰B丰度为60% (at.)的硼酸粉80份和石墨粉20份在混料机中混合8小时，得到混合粉料，其中硼酸粉纯度为99.9wt%，中位粒径d₅₀<300μm，石墨粉纯度为99.9wt%，中位粒径d₅₀<4μm；

（3）将混合粉料压片颗粒放入陶瓷钵中，在马弗炉中进行分段焙烧脱水，在150°C温度条件下焙烧60分钟，使硼酸脱水成为偏硼酸和四硼酸后，再在600°C温度条件下焙烧60分钟，使偏硼酸和四硼酸完全脱水成为硼酐（B₂O₃)；

（4）使脱水后的混合粉料压片颗粒在温度为1855°C条件下发生碳化反应后，保温60分钟，其中碳化反应是将混合粉料压片颗粒放入20 kw石墨电阻炉中，在氩气气氛保护下，常压条件下进行加热碳化；

产品中¹⁰B丰度60%（at.)，B₄C含量97.23wt%，总硼77.69wt%，游离硼0.389wt%，三氧化二硼0.24wt%，总碳21.10wt%，余量为不可避免的杂质。

实施例3

（1）首先按质量份将¹⁰B丰度为25%(at.)的硼酸粉83份和石墨粉17份在混料机中混合6小时，得到混合粉料，其中硼酸粉纯度为99.9wt%，中位粒径d₅₀<300μm，石墨粉纯度为99.9wt%，中位粒径d₅₀<4μm；

（3）将混合粉料压片颗粒放入陶瓷钵中，在马弗炉中进行分段焙烧脱水，在200°C温度条件下焙烧60分钟，使硼酸脱水成为偏硼酸和四硼酸后，再在500°C温度条件下焙烧60分钟，使偏硼酸和四硼酸完全脱水成为硼酐（B₂O₃)；

（4）使脱水后的混合粉料压片颗粒在温度为2000°C条件下发生碳化反应，其中碳化反应是将混合粉料压片颗粒放入60 kvA电弧炉中，在空气中进行加热碳化；

（5）将碳化反应后的混合粉料压片颗粒冷却到室温后，采用浓度为20wt%的盐酸酸洗后，在60°C条件下水洗，即得到海绵状的¹⁰B碳化硼；

产品中¹⁰B丰度25%（at.)，B₄C含量97.04wt%，总硼77.54wt%，游离硼0.436wt%，三氧化二硼0.28wt%，总碳21.45wt%，余量为不可避免的杂质。

Claims

1.一种¹⁰B碳化硼的制备方法，¹⁰B碳化硼中B₄C的含量>97wt%, B₂O₃含量<0.3wt%，游离硼含量<1.3wt%，¹⁰B丰度为25～99%（at.)，余量为不可避免的杂质，其特征在于按如下步骤进行：

（1）首先按质量份将¹⁰B丰度为25～99%(at.)的硼酸粉75～85份和石墨粉15～25份混合，得到混合粉料；

（2）将混合粉料制成压片颗粒；

（3）将混合粉料压片颗粒分段焙烧脱水，在100～200°C温度条件下焙烧60分钟，使硼酸脱水成为偏硼酸和四硼酸后，再在500～700°C温度条件下焙烧60分钟，使偏硼酸和四硼酸完全脱水成为硼酐（B₂O₃)；

（4）使脱水后的混合粉料压片颗粒在温度为1855～2100°C条件下发生碳化反应后，保温60分钟；

（5）将碳化反应后的混合粉料压片颗粒冷却到室温后，在60°C条件下，采用质量浓度为20%的盐酸酸洗或在60°C条件下水洗即得到粉状的或海绵状的¹⁰B碳化硼。

2.根据权利要求1所述的一种¹⁰B碳化硼的制备方法，其特征在于步骤（1）中硼酸粉的纯度为99.9wt%，中位粒径d₅₀<300μm，石墨粉纯度为99.9wt%，中位粒径d₅₀<4μm。

3.根据权利要求1所述的一种¹⁰B碳化硼的制备方法，其特征在于步骤（1）中硼酸粉与石墨粉的混合是在混料机中进行，混合5～8小时。

4.根据权利要求1所述的一种¹⁰B碳化硼的制备方法，其特征在于步骤（2）中混合粉料的压片在压片机中进行，得到的压片颗粒的直径为20mm，厚度为10mm。

5.根据权利要求1所述的一种¹⁰B碳化硼的制备方法，其特征在于步骤（3）是将混合粉料压片颗粒放入陶瓷钵中，在马弗炉中进行分段焙烧脱水。

6.根据权利要求1所述的一种¹⁰B碳化硼的制备方法，其特征在于步骤（4）中混合粉料压片颗粒的加热碳化，是将混合粉料压片颗粒放入感应加热炉或石墨加热炉中，在氩气气氛保护，常压下进行碳化，或将混合粉料颗粒料放入电弧炉中，在空气中进行碳化。