CN102392148B - 一种铝基碳化硼中子吸收复合材料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝基碳化硼中子吸收复合材料的制备方法，是针对中子吸收复合材料的特性，采用铝粉、硅粉、钛粉、碳化硼粉做原料，采用粉末冶金法，通过研磨、制坯、冷压、焙烧、热压，在真空状态下制成铝基碳化硼中子吸收复合材料，经回火定性处理，使材料的化学物理性能更加稳定，此制备方法工艺先进合理，连续紧凑，数据翔实准确，此材料配比合理，具有稳定的物理化学性能和力学性能，产物纯度好，达99.5％，可用此材料制备各种中子吸收零部件，是十分理想的铝基碳化硼中子吸收复合材料的制备方法。

Description

一种铝基碳化硼中子吸收复合材料的制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝基碳化硼中子吸收复合材料的制备方法，属有色金属增强及粉末冶金的技术领域。

背景技术

随着科学技术的发展，在航空、航天、电子、汽车、通讯、军工、核电站等技术领域，对材料的要求越来越高，传统的单一结构材料已难以满足轻质、高强的需求，材料的复合化已成为材料发展的重要方向，金属基复合材料因具有高比强度、高比模量及优异的耐磨性、尺寸稳定性、良好的抗疲劳性能、热膨胀系数小等特点，已引起科技界的广泛关注。

铝是一种优良的有色金属，碳化硼是一种陶瓷类材料；碳化硼的相对密度为2.52g/cm³，熔点为2450℃，由于坚硬度高、密度低、熔点高，常做研磨材料，且具有较高的中子俘获截面，因此可以作为核屏蔽材料，应用于核电站、核反应堆、航空航天及军事领域，但碳化硼韧性差、脆性大，也制约了其应用，如果将铝、硅与碳化硼制成复合材料，即可提高力学性能，又具备中子吸收性能，是一个很好的技术设想，但有合成的难度。

发明内容

发明目的

本发明的目的是针对背景技术的状况，采用粉末冶金法，用铝粉、硅粉、钛粉、碳化硼粉，通过研磨、制坯、冷压、焙烧，制成铝基碳化硼中子吸收复合材料，以供在高技术领域做材料使用。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：铝粉、碳化硼粉、钛粉、硅粉、石墨纸、石墨板，其量值如下：以克、毫米为计量单位

铝粉：Al                              1200g±0.01g

碳化硼粉：B₄C     600g±0.01g

钛粉Ti：          120g±0.01g

硅粉：Si          80g±0.01g

石墨纸：C         1mm×1000mm×1000mm

石墨板：C         50mm×1000mm×1000mm

制备方法如下：

(1)精选化学物质材料

对制备所需的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制；

铝粉：固态粉体                      99.5％

碳化硼粉：固态粉体                  99.5％

钛粉：固态粉体                      99.5％

硅粉：固态晶体                      99.5％

石墨纸：固态固体                    99.5％

石墨板：固态固体                    99.5％

(2)制备石墨电极模具

将50mm×1000mm×1000mm的石墨板切割，组装成矩形石墨电极模具；

(3)预氧化碳化硼粉

将碳化硼粉600g置于不锈钢容器中，然后置于加热炉进行预氧化，预氧化温度400℃±2℃，预氧化时间90min±2min；

(4)球磨、过筛

称取铝粉：    1200g±0.01g

称取碳化硼粉：600g±0.01g

称取钛粉：    120g±0.01g

称取硅粉：    80g±0.01g

将铝粉、硅粉、钛粉、碳化硼粉以质量比60∶30∶6∶4混合，用球磨机球磨、过筛，球磨机转数200r/min，筛网目数650目，球磨、过筛反复进行，球磨后成四元混合细粉，混合细粉颗粒粒径≤0.02mm；

(5)粉末冶金、制坯

①将石墨纸剪切，贴在石墨电极模具的内壁中；

②将混匀的四元混合细粉装入石墨电极模具中；

③将装有细粉的石墨电极模具置于压力机上，用10Mpa压力缓慢压制四元混合细粉，成四元混合细粉坯料；

(6)高温热压成型

四元混合细粉坯料的热压成型是在高温热压成型机上进行的，热压成型机为立式，下部为机座，上部为压力电机，中间为热压釜，周边布置真空泵、水循环冷却管；

①将装有四元混合细粉坯料的石墨电极模具置于热压釜中，然后关闭热压釜；

②开启真空泵，抽取釜内空气，使釜内真空度达1×10^-3Pa；

③接通石墨电极模具内的上部石墨压块直流电源，下部石墨垫块直流电源，电流为2000A、功率24KVA，通直流电源时间10min，使四元混合细粉坯料温度升至430℃，在此温度恒温保温30min；

④开启电阻加热器，使釜内温度由430℃逐渐升到650℃±2℃，升温速度7.3℃/min，在此温度恒温保温60min；

⑤四元混合细粉坯料在电阻加热和辅助直流电场共同作用下，使Al粉与B₄C粉实现热合成，在60MPa的压强下对四元混合细粉坯料进行热压，制成Al基B₄C复合材料；

⑥关闭电阻加热器，停止加热；关闭直流电源，上下石墨块停止供电；热压釜在真空状态下，在水循环冷却下，随釜自然冷却到25℃；

⑦关闭真空泵，停止抽真空；关闭水循环冷却器，停止冷却；

⑧开启热压釜，取出石墨电极模具；开启开合架，取出坯料，即铝基碳化硼中子吸收复合材料；

(7)回火热处理

将铝基碳化硼中子吸收复合材料置于石英产物盘中，然后置于真空干燥炉中，进行回火，回火温度450℃±2℃，真空度1×10^-3Pa，时间30min±2min，回火后停止加热，停止抽真空，使其自然冷却到25℃，然后取出，即成块状终产物；

(8)检测、化验、分析、表征

对制备的铝基碳化硼复合材料的形貌、色泽、成分、化学物理性能进行检测、化验、分析、表征；

用排水法进行密度及密度差测试；

用中子注量率仪进行中子吸收率检测分析；

用光学显微镜和扫描电镜对复合材料横断面、纵断面进行显微组织微观形貌分析；

用HXD-1000TM数字式显微硬度仪对复合材料进行硬度分布测试；

用ML-100磨料磨损试验机进行表面耐磨损性能分析；

用INSTRON-5544电子万能材料试验机进行抗弯、抗拉分析；

结论：铝基碳化硼中子吸收复合材料为灰黑色块状，其中¹⁰B的面密度≥0.0315g/cm²，局部密度差≤0.01g/cm²，抗拉强度R_m≥273MPa，断后伸长率A≥2％，规定强度Rp_0.2≥230MPa；

(9)储存

对制备的铝基碳化硼中子吸收复合材料要储存于无色透明的玻璃容器中，置于密闭、清洁、阴凉、干燥环境，要防潮、防晒、防酸碱盐腐蚀，储存温度20℃±2℃，相对湿度≤10％。

有益效果

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对中子复合材料的特性，采用铝粉、碳化硼粉、钛粉、硅粉做原料，采用粉末冶金法，通过研磨、制坯、冷压、焙烧、直流电场作用、热压，在真空状态下制成铝基碳化硼中子复合材料，经回火定性处理，使材料的物理化学性能更加稳定，此制备方法工艺先进合理，连续紧凑，数据翔实准确，此材料配比合理，具有稳定的化学物理性能和力学性能，产物的纯度可达99.5％，可用此材料制备多种中子吸收零部件，是环保的铝基碳化硼中子复合材料的制备方法。

附图说明

图1为混合细粉坯料冷压状态图

图2为铝基碳化硼中子吸收复合材料热压成型状态图

图3为铝基碳化硼中子吸收复合材料热压成型温度与时间坐标关系图

图4为铝基碳化硼中子吸收复合材料横切面金相组织结构图

图5为铝基碳化硼中子吸收复合材料产物微观形貌图

图6为铝基碳化硼中子吸收复合材料EDS图谱

图7为铝基碳化硼中子吸收复合材料中子透过率曲线图

图中所示，附图标记清单如下：

1.手动压力机，2.下垫块，3.上压头，4.上压块，5.操纵手柄，6.石墨模具，7.混合细粉坯料，8.石墨纸，9.开合架，10.热压成型机，11.工作台，12.顶梁，13.立梁，14.立梁，15.压力电机，16.上压杆，17.石墨压块，18.石墨垫块，19.电阻加热器，20.热压釜，21.冷却水箱，22.进水管，23.回水管，24.真空泵，25.真空管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步说明：

图1所示，为混合细粉坯料冷压状态图，各部位置要正确，按序操作。

混合细粉冷压是在手动冷压机上进行的，手动冷压机成竖式，上部设有上压头3、上压块4，并由侧部的操纵手柄5控制上下移动，下部设有下垫块2，在下垫块2上垂直放置开合式石墨模具6，石墨模具6由开合架9组装成型，石墨模具6内周边贴石墨纸8，上、下部垫有石墨垫块18，在石墨纸8内为混合坯料7，在上压头3、上压块4压力下，混合细粉坯料7冷压成型，成矩形块状。

图2所示，为铝基碳化硼中子复合材料热压成型状态图，各部位置、联接关系要正确，按序操作。

铝基碳化硼中子吸收复合材料热压成型是在热压成型机上进行的，热压成型机10为竖式，热压成型机10底部为工作台11，上部为顶梁12，左右由立梁13、14顶撑，在顶梁12的上部中间位置设有压力电机15，压力电机15垂直联接上压杆16、石墨压块17；在工作台11上设有热压釜20，热压釜20内中间位置置放石墨电极模具6，热压釜20的内壁上设置电阻加热器19；石墨电极模具6为开合式，由开合架9组装固定，石墨电极模具6内底部为石墨垫块18，石墨电极模具6内壁周边装贴石墨纸8，石墨纸8内为混合细粉坯料7，混合细粉坯料7的上部装贴石墨纸8，并由石墨块17接触施压，石墨压块17、石墨垫块18分别与24V的直流电源连接；热压釜20的右下部由真空管25连接真空泵24；热压釜20的外部装有循环冷却的进水管22、回水管23，并连接冷却水箱21，形成水循环冷却；热压釜20内的电阻加热器19、压力电机15、石墨压块17的直流电源、真空泵24、冷却水箱21的水泵均由热压成型机10的电控箱控制。

图3所示，为铝基碳化硼中子吸收复合材料热压釜内热压成型温度与时间坐标关系图，图中可知：纵坐标为温度℃，横坐标为时间min，温度从25℃开始升温，升至430℃±2℃，在此温度恒温保温30min±2min，然后继续加热升温至650℃±2℃，恒温保温60min±2min，然后关闭加热电极，使其随炉冷却至25℃；电极加热至430℃，即A点，保温30min，即A～B区段；当温度升至650℃，即C点，在此温度恒温保温60min，即C～D区段，同时施加60MPa压强进行热压；然后自然冷却至25℃，即E点。

图4所示，为铝基碳化硼中子吸收复合材料横切面金相结构图，碳化硼颗粒均匀分布在铝基体中，无明显团聚现象，未见明显夹渣和气孔产生。

图5所示，为铝基碳化硼中子吸收复合材料微观形貌图，从图中明显看到复合材料中至少包含三相，分别为基体相、黑色大颗粒相及白色小颗粒相。

图6所示，为铝基碳化硼中子吸收复合材料EDS图谱，在图5所示的SEM图片中分别选择(a)基体、(b)黑色大颗粒、(c)白色小颗粒进行EDS分析，(a)曲线表明基体为含有微量Mg、Si元素的Al基，(b)曲线显示黑色大颗粒为B和C的化合物，曲线中出现的较低的Al峰应为颗粒表面附着的基体铝元素所致，(c)曲线表明白色小颗粒主要成分为Si元素，其中的Al为颗粒表面附着的基体铝元素所致。

图7所示，为铝基碳化硼复合材料的中子吸收状态曲线，图中显示B₄C含量为20％以上，复合材料厚度为5mm时其中子屏蔽性能均能达到0.5mm厚C_d板的中子屏蔽性能，可根据需要对B₄C含量和复合材料厚度进行选择，图中a曲线为不同厚度的镉板的中子透过率曲线；b曲线为B₄C的质量分数为50％，不同厚度的铝基碳化硼中子吸收复合材料的中子透过率曲线；c曲线为B₄C的质量分数为40％，不同厚度的铝基碳化硼中子吸收复合材料的中子透过率曲线；d曲线为B₄C的质量分数为30％，不同厚度的铝基碳化硼中子吸收复合材料的中子透过率曲线；e曲线为B₄C的质量分数为20％，不同厚度的铝基碳化硼中子吸收复合材料的中子透过率曲线。

Claims (4)

1.一种铝基碳化硼中子吸收复合材料的制备方法，其特征在于：使用的化学物质材料为：铝粉、碳化硼粉、钛粉、硅粉、石墨纸、石墨板，其量值如下：以克、毫米为计量单位

制备方法如下：

(1)精选化学物质材料

对制备所需的化学物质材料要进行精选，并进行质量纯度控制；

(2)制备石墨电极模具

将50mm×1000mm×1000mm的石墨板切割，组装成矩形石墨电极模具；

(3)预氧化碳化硼粉

将碳化硼粉600g置于不锈钢容器中，然后置于加热炉进行预氧化，预氧化温度400℃±2℃，预氧化时间90min±2min；

(4)球磨、过筛

将铝粉、硅粉、钛粉、碳化硼粉以质量比60∶30∶6∶4混合，用球磨机球磨、过筛，球磨机转数200r/min，筛网目数650目，球磨、过筛反复进行，球磨后成四元混合细粉，混合细粉颗粒粒径≤0.02mm；

(5)粉末冶金、制坯

①将石墨纸剪切，贴在石墨电极模具的内壁中；

②将混匀的四元混合细粉装入石墨电极模具中；

③将装有细粉的石墨电极模具置于压力机上，用10MPa压力缓慢压制四元混合细粉，成四元混合细粉坯料；

(6)高温热压成型

四元混合细粉坯料的热压成型是在高温热压成型机上进行的，热压成型机为立式，下部为机座，上部为压力电机，中间为热压釜，周边布置真空泵、水循环冷却管；

①将装有四元混合细粉坯料的石墨电极模具置于热压釜中，然后关闭热压釜；

②开启真空泵，抽取釜内空气，使釜内真空度达1×10^-3Pa；

③接通石墨电极模具内的上部石墨压块直流电源，下部石墨垫块直流电源，电流为2000A、功率24KVA，通直流电源时间10min，使试件温度升至430℃，在此温度恒温保温30min；

④开启电阻加热器，使釜内温度由430℃逐渐升到650℃±2℃，升温速度7.3℃/min，在此温度恒温保温60min；

⑤四元混合细粉坯料在电阻加热和辅助直流电场共同作用下，使Al粉与B₄C粉实现燃烧合成，在60MPa的压强下对四元混合细粉坯料进行热压，制成Al基B₄C复合材料；

⑥关闭电阻加热器，停止加热；关闭直流电源，上下石墨块停止供电；热压釜在真空状态下，在水循环冷却下，随釜冷却到25℃；

⑦关闭真空泵，停止抽真空；关闭水循环冷却器，停止冷却；

⑧开启热压釜，取出石墨电极模具；开启开合架，取出坯料，即铝基 碳化硼中子吸收复合材料；

(7)回火热处理

将铝基碳化硼中子吸收复合材料置于石英产物盘中，然后置于真空干燥炉中，进行回火，回火温度450℃±2℃，真空度1×10^-3Pa，时间30min±2min，回火后停止加热，停止抽真空，使其自然冷却到25℃，然后取出，即成块状终产物；

(8)检测、化验、分析、表征

对制备的铝基碳化硼复合材料的形貌、色泽、成分、化学物理性能进行检测、化验、分析、表征；

用排水法进行密度及密度差测试；

用中子注量率仪进行中子吸收率检测分析；

用光学显微镜和扫描电镜对复合材料横断面、纵断面进行显微组织微观形貌分析；

用HXD-1000TM数字式显微硬度仪对复合材料进行硬度分布测试；

用ML-100磨料磨损试验机进行表面耐磨损性能分析；

用INSTRON-5544电子万能材料试验机进行抗弯、抗拉分析；

结论：铝基碳化硼中子吸收复合材料为灰黑色块状，其中¹⁰B的面密度≥0.0315g/cm²；局部密度差≤0.01g/cm²；抗拉强度R_m≥273MPa；断后伸长率A≥2％；规定强度R_p0.2≥230MPa ；

(9)储存

对制备的铝基碳化硼中子吸收复合材料要储存于无色透明的玻璃容器中，密闭、清洁、阴凉、干燥环境，要防潮、防晒、防酸碱盐腐蚀，储存温度20℃±2℃，相对湿度≤10％。

2.根据权利要求1所述的一种铝基碳化硼中子吸收复合材料的制备方法，其特征在于：铝基碳化硼中子吸收复合材料热压成型是在热压成型机上进行的，热压成型机(10)为立式，热压成型机(10)底部为工作台(11)，上部为顶梁(12)，左右由立梁(13、14)顶撑，在顶梁(12)的上部中间位置设有压力电机(15)，压力电机(15)垂直联接上压杆(16)、石墨压块(17)；在工作台(11) 上设有热压釜(20)，热压釜(20)内中间位置置放石墨电极模具(6)，热压釜(20)的内壁上设置电阻加热器(19)；石墨电极模具(6)为开合式，由开合架(9)组装固定，石墨电极模具(6)内底部为石墨垫块(18)，石墨电极模具(6)内壁周边装贴石墨纸(8)，石墨纸(8)内为混合细粉坯料(7)，混合细粉坯料(7)的上部装贴石墨纸(8)，并由石墨压块(17)接触施压，石墨压块(17)、石墨垫块(18)分别与24V的直流电源连接；热压釜(20)的右下部由真空管(25)连接真空泵(24)；热压釜(20)的外部装有循环冷却的进水管(22)、回水管(23)，并连接冷却水箱(21)，形成水循环冷却；热压釜(20)内的电阻加热器(19)、压力电机(15)，石墨压块(17)的直流电源、真空泵(24)、冷却水箱水泵均由热压成型机(10)的电控箱控制。

3.根据权利要求1所述的一种铝基碳化硼中子吸收复合材料的制备方法，其特征在于：铝基碳化硼中子吸收复合材料热压釜内热压成型温度与时间坐标关系如下：温度从25℃开始升温，升至430℃±2℃，在此温度下恒温保温30min±2min，继续加热升温至650℃±2℃，恒温保温60min±2min，然后关闭加热电极随炉冷却至25℃，加热温度与时间成正比。

4.根据权利要求1所述的一种铝基碳化硼中子吸收复合材料的制备方法，其特征在于：铝基碳化硼中子吸收复合材料的混合细粉制坯是在手动冷压机上进行的，手动冷压机成竖式，上部设有上压头(3)、上压块(4)，并由侧部的操纵手柄(5)控制上下移动，下部设有下垫块(2)，在下垫块(2)上垂直放置开合式石墨模具(6)，石墨模具(6)由开合架(9)组装成型，石墨模具(6)内周边贴石墨纸(8)，上、下部垫有石墨垫块(18)，在石墨纸(8)内为混合细粉坯料(7)，在上压头(3)、上压块(4)压力下，混合细粉坯料(7)冷压成型，成矩形块状。 

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