CN105803267A - 屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复合屏蔽材料技术领域，特别涉及一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料及制备方法。本发明复合材料采用纯铝作为基体材料，屏蔽组分为钨和碳化硼；其中钨的质量百分比为20％～70％；碳化硼的质量百分比为1％～10％；余量为铝和不可避免的杂质。本发明根据某些核动力反应堆的需要采用等静压成型方法开发出了具有一定机械强度并具有优异的抗核反应堆中子和γ射线辐照的铝基复合材料，10cm厚度的本发明复合材料能使能谱为0.1MeV～2MeV的γ射线透过率降至20％以下，同时复合材料对热中子的吸收效果亦相当明显。
Description
技术领域
本发明属于复合屏蔽材料技术领域，特别涉及一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料及制备方法。
背景技术
随着核技术的推广应用，核辐射屏蔽问题的研究也受到广泛重视。反应堆产生的辐射中，危害最大的是穿透力大的中子和γ射线。核屏蔽设计的主要任务就是屏蔽中子和γ射线。中子虽然不带电荷，但具有很强的穿透力，它在空气和其它物质中，可以传播更远的距离，对人体产生的危害比相同剂量的x射线更为严重。常用的屏蔽材料由含有重元素(如铅)、轻元素(如水中的氢)以及中子吸收剂(入硼)等材料组成。加有重晶石或铁矿石的混凝土也是常用的屏蔽材料。但目前常用的核反应堆屏蔽材料在某些性能，如力学性能、耐热性能和可加工性能等方面均存在着一些缺陷，导致材料的综合性能较差。
本发明采用等静压成型方法制备出对热中子具有良好的吸收作用，对γ射线具有较好的衰减作用，且力学性能、耐热性能和可加工性良好的复合材料，对核反应堆屏蔽材料的丰富拓展具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的就是提供一种对热中子具有良好的吸收作用，对γ射线具有较好的衰减作用，并同时兼顾良好的力学性能、耐热性能和加工性能的核反应堆用铝基复合材料。
针对现有技术不足，本发明提供了一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料及制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料，该材料采用纯铝作为基体材料，屏蔽组分为钨和碳化硼；其中钨的质量百分数为20％～70％；碳化硼的质量百分数为1％～10％；余量为铝和杂质。
一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料的制备方法，采用等静压成型方法，包括如下步骤：
a、按成分配比称取各原料粉末；
b、氩气保护条件下将步骤a所的原料粉末混料；
c、将步骤b所得混合料进行冷等静压成型；
d、将步骤c所得冷等静压坯锭装入铝包套进行包套，所得坯料经过高温脱气后进行热等静压成型；
e、去除铝包套，得到一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料。
步骤b中，采用双锥混料机进行混料，研磨介质为轴承钢珠，研磨介质质量与原料粉末总质量的百分数为1：1，混料时间为24～48小时。
步骤c中，冷等静压过程中(在室温下进行)采用橡胶包套将液压介质(抗磨液压油)与混合料隔离，冷等静压压强为150MPa～200MPa，保压时间为10min～40min。
步骤d中，所述高温脱气过程中将包套后所得坯料在400℃～450℃温度下进行除气，当包套内真空度达到2×10-3Pa且真空度保持在此水平保温3小时后将坯料封口。
步骤d中，所述热等静压温度为490℃～570℃(在此温度范围内均能制备出致密度高、力学性能良好的屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料)，压强为70MPa～120MPa，传压介质为氩气，保压2～6小时。
本发明的有益效果为：
本发明根据某些核动力反应堆的需要采用等静压成型方法开发出了具有一定机械强度并具有优异的抗核反应堆中子和γ射线辐照的铝基复合材料，10cm厚度的本发明复合材料能使能谱为0.1MeV～2MeV的γ射线透过率降至20％以下，同时复合材料对热中子的吸收效果亦相当明显。
具体实施方式
本发明提供了一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料及制备方法，下面结合具体实施方式对本发明做进一步说明。
一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料，其特征在于该材料采用纯铝作为基体材料，屏蔽组分为钨和碳化硼；其中钨的质量百分数为20％～70％；碳化硼的质量百分数为1％～10％；余量为铝和不可避免的杂质。
所述屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料的制备过程包括如下步骤：
a、按所述屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料的成分配比称取纯铝粉、钨粉和碳化硼粉；
b、采用双锥高效混料机进行混料，混料过程中冲入氩气保护，研磨介质为轴承钢珠，研磨介质质量与原料粉末总质量的百分数为1：1，混料时间为24～48小时；
c、采用冷等静压方法压制等静压坯锭，冷等静压过程中采用橡胶包套将液压介质(抗磨液压油)与步骤b所得混合料隔离，冷等静压压强为150MPa～200MPa，保压时间为10min～40min；
d、将步骤c所得冷等静压坯锭修理成规则形状后采用纯铝薄板制备包套；
e、将包套后所得坯料在400℃～450℃温度下进行除气，当包套内真空度达到2×10-3Pa且真空度保持在此水平保温3小时后将坯料封口；
f、采用热等静压方法将除气封口后的坯料压制成最终锭材，热等静压温度为490℃～570℃，压强为70MPa～120MPa，传压介质为氩气，保压时间为2～6小时；
g、去除铝包套，得到一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料。实施例1
配置粉末，铝粉的质量百分数为35％，钨粉和碳化硼粉的质量百分数分别为55％和10％。采用双锥高效混料机进行混料，混料过程中冲入氩气保护，混料机转速为60转/分钟，研磨介质为轴承钢珠，研磨介质质量与原料粉末总质量的百分比为1：1，混料时间为24小时。所得混合料填充入冷等静压坯锭成型模具，采用冷等静压方法压制成冷等静压坯锭，压力为150MPa，保压1小时，冷等静压坯锭致密度大约为理论致密度的80％。用纯铝焊接冷等静压坯锭包套，并在450℃进行除气、封装。除气封口后的坯料进行热等静压，热等静压温度为520℃，压力为100MPa，保压4小时。去除纯铝包套，得到一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料，其致密度为理论致密度的100％。
取10cm厚的屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料片材进行屏蔽性能的测试，测试结果表明其对能量为0.1MeV～2MeV的γ射线的屏蔽效能达90％以上，对热中子的吸收性能优异。
实施例2
配置粉末，铝粉的质量百分数为29％，钨粉和碳化硼粉的质量百分数分别为70％和1％。采用双锥高效混料机进行混料，混料过程中冲入氩气保护，混料机转速为60转/分钟，研磨介质为轴承钢珠，研磨介质质量与原料粉末总质量的百分比为1：1，混料时间为24小时。所得混合料填充入等静压坯锭成型模具，采用冷等静压方法压制成等静压坯锭，压力为200MPa，保压1小时，等静压坯锭致密度大约为理论致密度的85％。用纯铝焊接等静压坯锭包套，并在450℃进行除气、封装。除气封口后的坯料进行热等静压，热等静压温度为550℃，压力为100MPa，保压4小时。去除纯铝包套，得到一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料，其致密度为理论致密度的100％。
取10cm厚的屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料片材进行屏蔽性能的测试，测试结果表明其对能量为0.1MeV～2MeV的γ射线的屏蔽效能达90％以上，对热中子的吸收性能较好。
实施例3
配置粉末，铝粉的质量百分数为70％，钨粉和碳化硼粉的质量百分数分别为20％和10％。采用双锥高效混料机进行混料，混料过程中冲入氩气保护，混料机转速为60转/分钟，研磨介质为轴承钢珠，研磨介质质量与原料粉末总质量的百分比为1：1，混料时间为24小时。所得混合料填充入等静压坯锭成型模具，采用冷等静压方法压制成等静压坯锭，压力为180MPa，保压1小时，等静压坯锭致密度大约为理论致密度的85％。用纯铝焊接等静压坯锭包套，并在400℃进行除气、封装。除气封口后的坯料进行热等静压，等静压温度为570℃，压力为100MPa，保压4小时。去除纯铝包套，得到一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料，其致密度为理论致密度的100％。
取10cm厚的屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料片材进行屏蔽性能的测试，测试结果表明其对能量为0.1MeV～2MeV的γ射线的屏蔽效能达60％以上，对热中子的吸收性能优异。
实施例4
配置粉末，铝粉的质量百分数为50％，钨粉和碳化硼粉的质量百分数分别为45％和5％。采用双锥高效混料机进行混料，混料过程中冲入氩气保护，混料机转速为60转/分钟，研磨介质为轴承钢珠，研磨介质质量与原料粉末总质量的百分比为1：1，混料时间为24小时。所得混合料填充入等静压坯锭成型模具，采用冷等静压方法压制成等静压坯锭，压力为180MPa，保压1小时，等静压坯锭致密度大约为理论致密度的85％。用纯铝焊接等静压坯锭包套，并在420℃进行除气、封装。除气封口后的坯料进行热等静压，等静压温度为490℃，压力为100MPa，保压4小时。去除纯铝包套，得到一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料，其致密度为理论致密度的99％。
取10cm厚的屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料片材进行屏蔽性能的测试，测试结果表明其对能量为0.1MeV～2MeV的γ射线的屏蔽效能达80％以上，对热中子的吸收性能优异。
实施例5
配置粉末，铝粉的质量百分数为60％，钨粉和碳化硼粉的质量百分数分别为35％和5％。采用双锥高效混料机进行混料，混料过程中冲入氩气保护，混料机转速为60转/分钟，研磨介质为轴承钢珠，研磨介质质量与原料粉末总质量的百分比为1：1，混料时间为24小时。所得混合料填充入等静压坯锭成型模具，采用冷等静压方法压制成等静压坯锭，压力为180MPa，保压1小时，等静压坯锭致密度大约为理论致密度的85％。用纯铝焊接等静压坯锭包套，并在420℃进行除气、封装。除气封口后的坯料进行热等静压，等静压温度为500℃，压力为100MPa，保压4小时。去除纯铝包套，得到一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料，其致密度为理论致密度的100％。
取10cm厚的屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料片材进行屏蔽性能的测试，测试结果表明其对能量为0.1MeV～2MeV的γ射线的屏蔽效能达70％以上，对热中子的吸收性能优异。
实施例6
配置粉末，铝粉的质量百分数为40％，钨粉和碳化硼粉的质量百分数分别为50％和10％。采用双锥高效混料机进行混料，混料过程中冲入氩气保护，混料机转速为60转/分钟，研磨介质为轴承钢珠，研磨介质质量与原料粉末总质量的百分比为1：1，混料时间为24小时。所得混合料填充入等静压坯锭成型模具，采用冷等静压方法压制成等静压坯锭，压力为180MPa，保压1小时，等静压坯锭致密度大约为理论致密度的85％。用纯铝焊接等静压坯锭包套，并在420℃进行除气、封装。除气封口后的坯料进行热等静压，等静压温度为550℃，压力为100MPa，保压4小时。去除纯铝包套，得到一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料，其致密度为理论致密度的100％。
取10cm厚的屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料片材进行屏蔽性能的测试，测试结果表明其对能量为0.1MeV～2MeV的γ射线的屏蔽效能达80％以上，对热中子的吸收性能优异。
采用上述实验方案制备成的具有中子和γ射线屏蔽功能的铝基一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料，对热中子具有良好的吸收作用，其10cm厚复合材料对能量为0.1MeV～2MeV能量的γ射线的屏蔽效能达60％以上。该锭材不仅可以直接加工成所需零件，用于屏蔽核反应堆辐照，还可以进行挤压、锻造、轧制等二次加工，加工成所需的棒材、管材和板材等。
Claims (6)
1.一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料，其特征在于，该材料采用纯铝作为基体材料，屏蔽组分为钨和碳化硼；其中钨的质量百分数为20％～70％；碳化硼的质量百分数为1％～10％；余量为铝和杂质。
2.如权利要求1所述的一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料的制备方法，其特征在于，采用等静压成型方法，包括如下步骤：
a、按成分配比称取各原料粉末；
b、氩气保护条件下将步骤a所的原料粉末混料；
c、将步骤b所得混合料进行冷等静压成型；
d、将步骤c所得冷等静压坯锭装入铝包套进行包套，所得坯料经过高温脱气后进行热等静压成型；
e、去除铝包套，得到一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料。
3.根据权利要求2所述的一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤b中，采用双锥混料机进行混料，研磨介质为轴承钢珠，研磨介质质量与原料粉末总质量的百分比为1：1，混料时间为24～48小时。
4.根据权利要求2所述的一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤c中，冷等静压过程中采用橡胶包套将液压介质与混合料隔离，冷等静压压强为150MPa～200MPa，保压时间为10min～40min。
5.根据权利要求2所述的一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤d中，所述高温脱气过程中将包套后所得坯料在400℃～450℃温度下进行除气，当包套内真空度达到2×10-3Pa且真空度保持在此水平保温3小时后将坯料封口。
6.根据权利要求2所述的一种屏蔽中子和γ射线的核反应堆用铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤d中，所述热等静压温度为490℃～570℃，压强为70MPa～120MPa，传压介质为氩气，保压2～6小时。
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