CN102194532A - 一种碳化硼与炭素复合粉体的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳化硼与炭素复合粉体的制备方法，包括下述步骤：将炭素原料和碳化硼粉体按配比混合后，加入酚醛树脂、环氧树脂或其他混合树脂酒精溶液，用喷雾造粒法将三种原料在一定温度下混合。本发明制备粉体各相分布均匀，碳化硼粉体与炭素原料相容性良好，粉体流动性好，易于成型。成型样品强度较高，烧结后样品致密，两相均匀分布，力学性能良好。

Description

一种碳化硼与炭素复合粉体的制备方法

技术领域

本发明涉及复合粉体技术领域，特别是涉及一种碳化硼与炭素复合粉体的制备方法。

背景技术

作为清洁的、安全、环保的能源，核能发电对于缓解世界及各国能源安全和全球气候变化问题都具有重要意义。虽然经过了美国三哩岛和前苏联切尔诺贝利核电站事故挫折，人们仍然在积极开发更安全、经济性更好的核能发电技术。目前，第三代核电技术已经基本成熟。

正在研发的第四代核能系统中，高温气冷堆可以实现很高的出口温度，具有高发电效率和高品位热供应能力，引起人们广泛关注。

高温气冷堆采用陶瓷型包覆颗粒燃料元件，氦气作为冷却剂，石墨作慢化剂，堆芯出口温度可以达到700℃，直至950～1000℃。高温气冷堆是一种安全性能好的堆型，这是由于：1)优异的燃料元件性能；2)石墨堆芯的热容量大；3)全范围的负反应性温度系数；4)氦冷却剂为惰性气体，化学稳定性好，不会发生相变。

吸收球停堆系统是高温气冷堆的第二停堆系统，在高温气冷堆运行过程中与控制棒系统配合，起到停堆与调节运行功率的作用。其工作原理是，在正常停堆或者紧急停堆时，吸收球落入反应堆的吸收球孔道，利用碳化硼中10B的吸收中子特性，吸收中子进而阻止反应堆的链式反应，实现反应堆的停堆；当反应堆需要启动时，吸收球通过气体输送到反应堆顶部的贮球罐内，使之处于备用状态。

根据吸收球的使用工况，要求吸收球有很好的耐磨损性能和抗热冲击性能，同时与石墨孔道间有良好的匹配性。纯碳化硼球的10B含量高，中子吸收性能好，但易对石墨孔道造成磨损。含碳化硼的石墨球一方面具备中子吸收作用，另一方面能够改善吸收球与孔道间的磨损，同时由于采用石墨作为基体材料，使其具有良好的抗热冲击性能。

传统的炭素材料与碳化硼复合粉体的混合方法利用有机溶剂将两者相互溶解后机械混合得到浆料或泥料，然后对浆料或泥料进行干燥、分筛处理后得到复合粉体，但传统炭素材料与碳化硼复合粉体中的两相分布不均匀，两相的相容性差。针对上述缺陷，本发明提出一种制备碳化硼与炭素复合粉体的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳化硼与炭素复合粉体的制备方法，以解决炭素材料与碳化硼复合粉体制备中的两相分布及相容性问题。

本发明所述的碳化硼与炭素复合粉体的制备方法，包括下述步骤：将树脂溶解在有机溶剂中得到树脂溶液，取碳化硼粉体与炭素原料，与树脂溶液混合，将混合液加入喷雾造粒机中，喷雾造粒。

其中，所述炭素原料可以是常用的炭素原料，如可选用人造石墨，天然石墨，石油焦粉，沥青焦粉，炭黑等炭素原料中的一种或多种的复合粉体；所述有机溶剂为挥发性的有机溶剂，优选可完全挥发的有机溶剂，如乙醇、甲醇中的一种或两者的混合物；所述树脂溶液中树脂的质量浓度为5％～50％，优选10％-50％；

所述复合粉体与树脂溶液的混合液中，复合粉体的质量分数为5％～85％，具体可根据树脂的性质决定；复合粉体中，碳化硼粉体与炭素粉体比例可为任意比，任意比例的复合粉体均能实现本发明的目的。

所述树脂为酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、聚胺脂树脂中的一种或者上述多种树脂的复合改性树脂。

所用的碳化硼粉体可选择市售的各种碳化硼粉体，优选纯度为99.9％的碳化硼粉体。

所述喷雾造粒的造粒温度为50～300℃。

所述喷雾造粒机可采用常用的喷雾造粒设备；常用的喷雾造粒设备的原理见图1所示，冷空气经进风口过滤和加热，进入干燥器顶部，热空气呈螺旋状均匀地进入干燥室；离心式喷雾干燥设备中浆料经塔体顶部的离心器雾化后形成极细微的雾状液珠；压力式喷雾干燥设备中浆料经塔体下部高压注入塔内，并雾化形成极细微的雾状液珠；雾状液珠与热空气接触并在短时间内干燥为成品。

在本发明中，喷雾造粒的过程为混合液呈雾状液珠在特定温度被高速喷出，有机溶剂快速挥发，树脂在一定程度上被进行固化，固化过程中树脂形成的有机结构体将炭素原料与碳化硼均匀包裹，得到分布均匀的复合粉体。

具体的说，所述有机溶剂可选用无水乙醇。将树脂溶于无水乙醇，溶液浓度控制在5％～50％，取碳化硼粉体、炭素原料、树脂溶液配制成悬浮液，悬浮液的质量浓度为5％～85％，将所得悬浮液进行喷雾造粒，造粒温度为50～300℃。所得粉体两相分布均匀，粉体流动性良好，在电镜下粉体呈球状聚集分布。

本发明碳化硼与炭素原料混合粉体的制备方法具有以下有益效果：

1)本发明以炭素原料中的任一种或复合为原料，树脂中的任一种或复合做为原料，降低了原料要求。

2)用喷雾造粒工艺进行造粒可以使两相分散均匀，同时粉体呈球状结构，球状结构的碳化硼和碳素复合粉体对石墨孔道造成磨损更小；抗热冲击性能更好。

3)用树脂做为添加剂，可以使碳化硼粉体与炭素原料相互浸润，大大改善其相容性

4)在喷雾造粒时处于较高温度可以使树脂进行不完全固化，不完全固化的高分子有机链状产物可使碳化硼与炭素原料之间相容性改善。

附图说明

图1为喷雾造粒设备工艺原理图；其中，1、离心喷头；2、干燥室；3、加热器；4、进风口；5、出料口；6、浆料进口。

图2为本发明制备方法制备的碳化硼与炭素复合粉体的电镜图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如无特别指明，实施例中采用的原料均为市购，实施例中采用LPG-5离心式喷雾干燥机。

实施例1

配制酚醛树脂∶环氧树脂＝1∶1的酒精溶液，复合粉体的质量浓度为30％。将碳化硼粉体与炭黑、树脂溶液按质量比为17.5∶47.5∶35进行混合，将混合液泵入喷雾造粒机中，造粒温度120℃，得到碳化硼与炭素的复合粉体。

同时，作为对照例，同样采用上述配比配制碳化硼粉体与炭黑、树脂溶液的混合液，将该混合液球磨30min得到浆料，干燥、粉碎后分筛处理，得到碳化硼与炭素的复合粉体。

对照例制得的样品抗压强度为60MPa，本发明所述复合粉体制备的样品抗压强度为100MPa，在力学性能上有较大提高。

另外，与对照例相比，本发明方法得到的复合粉末的流动性更好、其电镜照片见图2所示，显然为碳化硼与炭黑分布均匀的球状粉体。

实施例2

配制酚醛树脂∶呋喃树脂＝1∶1的酒精溶液，其质量浓度为30％。将碳化硼粉体与天然石墨、树脂溶液按质量比为10∶50∶40进行混合，将混合液泵入喷雾造粒机中，造粒温度100℃，得到流动性良好、分布均匀的复合粉体。用复合粉体制备的石墨样品抗压强度为80MPa。

实施例3

配制聚胺脂树脂酒精溶液，其质量浓度为30％。将碳化硼粉体与炭素原料、树脂溶液按质量比为17.5∶40∶42.5进行混合，将混合液泵入喷雾造粒机中，造粒温度150℃，得到流动性良好、分布均匀的复合粉体。用复合粉体制备的石墨样品抗压强度为95MPa。

实施例4

配制聚胺脂树脂甲醇溶液，其质量浓度为10％。将碳化硼粉体与人造石墨、树脂溶液按质量比为5∶35∶60进行混合，将混合液泵入喷雾造粒机中，造粒温度50℃，得到流动性良好、分布均匀的复合粉体。用复合粉体制备的石墨样品抗压强度为91MPa。

实施例5

将甲醇和乙醇按质量比1∶2的比例混合，加入环氧树脂，环氧树脂的质量浓度为40％。将碳化硼粉体与人造石墨、炭黑、树脂溶液按质量比为10∶15∶25∶50的比例进行混合，将混合液泵入喷雾造粒机中，造粒温度150℃，得到流动性良好、分布均匀的复合粉体。用复合粉体制备的石墨样品抗压强度为105MPa。

实施例6

将甲醇和乙醇按质量比3∶2的比例混合，加入酚醛树脂，酚醛树脂的质量浓度为50％。将碳化硼粉体与石油焦粉，沥青焦粉、树脂溶液按质量比为25∶25∶30∶20的比例进行混合，将混合液泵入喷雾造粒机中，造粒温度120℃，得到流动性良好、分布均匀的复合粉体。用复合粉体制备的石墨样品抗压强度为95MPa。

Claims (9)

1.一种碳化硼与炭素复合粉体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将树脂溶解在有机溶剂中得到树脂溶液，取碳化硼粉体与炭素原料与树脂溶液混合，将混合液加入喷雾造粒机中喷雾造粒。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述树脂溶液的质量浓度为5％～50％。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为挥发性的有机溶剂。

4.根据权利要求1-3任一所述的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇、甲醇中的一种或两者的混合物。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述树脂为酚醛树脂、环氧树脂、呋喃树脂、聚胺脂树脂中的一种或者多种的复合改性树脂。

6.根据权利要求1、4或5所述的制备方法，其特征在于，所述炭素原料是人造石墨、天然石墨、石油焦粉、沥青焦粉、炭黑中的一种或多种的混合物。

7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于，所述复合粉体与树脂溶液混合的混合液中，复合粉体的质量分数为5％～85％。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述喷雾造粒的造粒温度为50～300℃。

9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述树脂溶液的质量浓度为10％～50％。

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