CN106342335B - 一种c-b4c中子吸收球及其制备方法 - Google Patents
一种c-b4c中子吸收球及其制备方法Info
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Abstract
本发明涉及一种C-B4C中子吸收球及其制备方法，属于核材料领域。本发明是将石墨、碳化硼粉体和酚醛树脂加入到无水乙醇溶剂中，经混料、干燥造粒、等静压成型及气氛(真空)烧结后，经加工后采用化学气相沉积技术进行表面改性处理，得到性能优异的C-B4C中子吸收球。本发明提供的中子吸收球制备工艺简单，成本低，易于规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种C-B4C中子吸收球及其制备方法，属于核材料领域。
背景技术
碳化硼作为具有较高中子吸收能力的材料，已被广泛地应用在核反应堆中。在快中子增殖堆和高温气冷堆这两种先进堆型的控制材料和屏蔽材料的选择上，首选了碳化硼作为中子吸收材料，而且得到了成功的应用。石墨是热中子堆中采用最广的固体慢化材料，这主要是石墨具有以下的优异性能：热中子吸收截面小，熔点高，热导性好，高温强度好，可以合理价格大规模生产得到。碳化硼与石墨复合后，可以用于反应堆外周，防止放射性物质外泄；用于反应堆第二层防护，作反应堆屏蔽材料，吸收放射性物质；用作反应堆控制棒，控制反应堆反应速度，并以控制棒作为第一停堆系统，碳化硼吸收小球作为反应堆的第二停堆系统等。
在以往的技术报道中，美国专利US4744922提出了一种中子吸收材料及制备方法，采用渗硅工艺，通过硅与碳反应生成碳化硅的方法来提高材料的密度和性能。中国专利200810115142.7提出了一种含碳化硼的石墨吸收球的方法，该吸收球具备碳化硼、石墨两元复合的材料组分，然而该发明未报道吸收球所能够达到，如密度、耐磨性能和抗压强度的性能指标，。
发明内容
本发明的第一目的在于提出一种C-B4C中子吸收球。
本发明的第二目的在于提出一种C-B4C中子吸收球的制备方法。
本发明的第一目的是通过下述方案实现的。
本发明的C-B4C中子吸收球，其内核为C-B4C复合材料，内核的外表面具有一层碳包覆层；
所述C-B4C复合材料中B4C的质量百分比为20～30％，C的质量百分比为70～80％；
所述碳包覆层或者碳化硅包覆层的厚度为5～20微米
所述中子吸收球的直径为4～8mm。
本发明的第二目的是通过下述方案实现的。
本发明的C-B4C中子吸收球的制备方法，包括如下步骤：
(1)采用质量含量为20～30％的碳化硼粉体，质量含量为55～72.5％的石墨粉体，质量含量为15～30％酚醛树脂粉体为原料，以有机溶剂为溶剂混合形成浆料；
(2)将步骤(1)所得的浆料造粒、冷等静压形成素坯吸收球；
(3)将步骤(2)所得的产物在保护气氛下，在800～1300℃高温热处理；
(4)将步骤(3)所得的产物在真空条件下，在1100～1500℃高温热处理；
(5)将步骤(4)所得的产物采用化学气相沉积方法形成一层碳包覆层，采用的化学气相沉积的沉积温度950～1300℃，沉积压力5～25KPa。
进一步的，将步骤(5)所得的产物采用化学气相沉积方法形成一层碳化硅包覆层，采用的化学气相沉积的沉积温度950～1300℃，沉积压力5～25KPa。
上述制备方法获得中子吸收球的直径为4～8mm，碳包覆层或者碳化硅包覆层的厚度为5～20微米。
应该理解，上述制备方法中工艺参数的选择以获取本发明的C-B4C中子吸收球为目的。
对C-B4C中子吸收球的硬度、压碎力、耐磨损性能及吸湿性能进析测试。结果显示，吸收球硬度、压碎力、耐磨损性能及吸湿性能分别较以往技术制备的吸收球性能提高10％以上。
本发明的技术优点在于：
1、获得了一种具有特别结构的C-B4C中子吸收球，且该C-B4C中子吸收球具有良好的硬度、压碎力、耐磨损性能及吸湿等性能
2、生产工艺简单，制造成本低，易于规模化生产。
附图说明
略
具体实施方式
本发明的发明人经过广泛的实验研究，制备获得了一种C-B4C中子吸收球及其制备方法。
本发明是基于下述机理得以实现的，一是通过提高酚醛树脂的掺加质量百分含量，获得加工性能优良的C-B4C中子吸收球。酚醛树脂主要起两个作用，首先是作为粘结剂，使得碳化硼粉体均匀分散在石墨粉体当中，形成均质C-B4C中子吸收球，其次是作为增强剂，提高C-B4C中子吸收球性能，如压碎力、硬度及耐磨损性能、吸湿性能等；二是通过化学气相沉积技术实现吸收球表面改性处理，进一步大大提高C-B4C中子吸收球综合性能。采用化学气相沉积技术在吸收球表面形成致密的碳层，从而提高吸收球的耐磨损性能和吸湿性能，由于表面碳层中碳的热膨胀系数较基体热膨胀系数低，在吸收球表面形成压应力，从而提高吸收球的硬度和抗冲击性能。
在本发明的一个优选实施方式中，所述B4C的质量百分比优选22～27％。
在本发明的一个优选实施方式中，所述碳包覆层或者碳化硅包覆层的优选厚度为8～15微米。
在本发明的一个优选实施方式中，所述碳化硅包覆层的优选厚度为5～20微米。
在本发明的一个优选实施方式中，所述制备方法步骤(4)中优选化学气相沉积的沉积温度950～1300℃，沉积压力5～25KPa。
在本发明的一个优选实施方式中，所述制备方法步骤(3)中高温热处理是优选以每分钟1～5℃升温速率升至800～1100℃。
在本发明的一个优选实施方式中，所述制备方法步骤(4)中高温热处理是优选以每分钟5～10℃升温速率升至1100～1500℃。
在本发明的一个优选实施方式中，所述制备方法步骤(1)中有机溶剂优选为无水乙醇或丙酮或乙醚。
在本发明的一个优选实施方式中，所述制备方法步骤(1)中浆料的固含量质量百分比优选为40～70％。
在本发明的一个优选实施方式中，所述制备方法步骤(2)中造粒方法优选为喷雾干燥或手工造粒。
在本发明的一个优选实施方式中，所述制备方法步骤(2)中造粒方法优选为球大小3～15mm。
在本发明的一个优选实施方式中，所述制备方法步骤(2)中冷等静压成型压力优选为200～300MPa。
在本发明的一个优选实施方式中，所述制备方法步骤(3)中保护气氛优选为氮气，或氩气，或氮气和氩气的混合。
在本发明的一个优选实施方式中，所述制备方法步骤(4)中真空条件优选为真空度小于10Pa。
以下以具体对比例和实施例的形式说明本发明，但本发明并非仅限于实施例。
对比例1
将石墨、碳化硼粉体和酚醛树脂按质量百分比70∶25∶5加入到无水乙醇溶液中，混料8小时。混合后的浆料经喷雾干燥后得到粒度为250微米的基体粉体，基体粉体在压力240MPa、冷等静压成形后得到直径为6.8mm的素坯吸收球。吸收球经加工后，在保护气体条件下，以2℃/min的升温速率升至1000℃，保温2小时后得到直径为6mm的C-B4C中子吸收球，吸收球硬度、压碎力、耐磨损性能及吸湿性能分别为48(HRL)；260N；3.2％；4.8％。
对比例2
将石墨、碳化硼粉体和酚醛树脂按质量百分比70∶25∶5加入到无水乙醇溶液中，混料8小时。混合后的浆料经喷雾干燥后得到粒度为250微米的基体粉体，基体粉体在压力260MPa、冷等静压成形后得到直径为9mm的素坯吸收球。吸收球经加工后，在保护气体条件下，以4℃/min的升温速率升至1000℃，保温2小时后得到直径为8mm的C-B4C中子吸收球，吸收球硬度、压碎力、耐磨损性能及吸湿性能分别为49(HRL)；330N；3.1％；4.7％。
实施例1
将石墨、碳化硼粉体和酚醛树脂按质量百分比64∶21∶15加入到无水乙醇溶液中，混料8小时。混合后的浆料经喷雾干燥后得到粒度为250微米的基体粉体，基体粉体在压力260MPa、冷等静压成形后得到直径为9mm的素坯吸收球。吸收球经加工后，在保护气体条件下，以3℃/min的升温速率升至1100℃，保温2小时后得到直径为8mm的C-B4C中子吸收球，吸收球硬度、压碎力、耐磨损性能及吸湿性能分别为88(HRL)；518N；2.8％；3.6％。
实施例2
将石墨、碳化硼粉体和酚醛树脂按质量百分比55∶25∶20加入到无水乙醇溶液中，混料8小时。混合后的浆料经喷雾干燥后得到粒度为250微米的基体粉体，基体粉体在压力260MPa、冷等静压成形后得到直径为6.8mm的素坯吸收球。吸收球经加工后，在保护气体条件下，以2℃/min的升温速率升至1100℃，保温2小时后得到直径为6mm的C-B4C中子吸收球，吸收球硬度、压碎力、耐磨损性能及吸湿性能分别为96(HRL)；580N；1.6％；2.4％。
实施例3
将石墨、碳化硼粉体和酚醛树脂按质量百分比55∶25∶20加入到无水乙醇溶液中，混料8小时。混合后的浆料经喷雾干燥后得到粒度为250微米的基体粉体，基体粉体在压力240MPa、冷等静压成形后得到直径为6.8mm的素坯吸收球。吸收球经加工后，在保护气体条件下，以2℃/min的升温速率升至900℃，保温2小时，吸收球内酚醛树脂转化为碳。在真空条件下，以5℃/min的升温速率升至1150℃，保温2小时进行脱气。然后采用化学气相沉积技术在沉积温度1030℃、压力20KPa的条件下，吸收球表面进行包覆12微米碳，得到直径为6mm的C-B4C中子吸收球，吸收球硬度、压碎力、耐磨损性能及吸湿性能分别为101(HRL)；620N；0.72％；0.31％。
实施例4
将石墨、碳化硼粉体和酚醛树脂按质量百分比55∶25∶20加入到无水乙醇溶液中，混料8小时。混合后的浆料经喷雾干燥后得到粒度为250微米的基体粉体，基体粉体在压力260MPa、冷等静压成形后得到直径为9mm的素坯吸收球。吸收球经加工后，在保护气体条件下，以4℃/min的升温速率升至1100℃，保温2小时。在真空条件下，以10℃/min的升温速率升至1350℃，保温2小时进行脱气。然后采用化学气相沉积技术在沉积温度1030℃、压力20KPa的条件下，吸收球表面进行包覆6微米碳；在沉积温度1130℃、压力25KPa的条件下再包覆6微米碳化硅，得到直径为8mm的C-B4C中子吸收球，吸收球硬度、压碎力、耐磨损性能及吸湿性能分别为122HRL)；680N；0.36％；0.12％。
实施例5
将石墨、碳化硼粉体和酚醛树脂按质量百分比55∶30∶15加入到无水乙醇溶液中，混料8小时。混合后的浆料经喷雾干燥后得到粒度为250微米的基体粉体，基体粉体在压力250MPa、冷等静压成形后得到直径为6.8mm的素坯吸收球。吸收球经加工后，在保护气体条件下，以3℃/min的升温速率升至1000℃，保温2小时。在真空条件下，以8℃/min的升温速率升至1150℃，保温2小时进行脱气，然后采用化学气相沉积技术，在沉积温度1130℃、压力25KPa的条件下，在吸收球表面进行包覆17微米碳，得到直径为6mm的C-B4C中子吸收球，吸收球硬度、压碎力、耐磨损性能及吸湿性能分别为103(HRL)；628N；0.73％；0.36％。
Claims (14)
1.一种C-B4C中子吸收球，其特征在于，其内核为C-B4C复合材料，内核的外表面具有一层碳包覆层；
所述C-B4C复合材料中B4C的质量百分比为20～30％，C的质量百分比为70～80％；
所述碳包覆层的厚度为5～20微米，
所述中子吸收球的直径为4～8mm。
2.按权利要求1所述的一种C-B4C中子吸收球，其特征在于，所述B4C的质量百分比为22～27％。
3.按权利要求1或2所述的一种C-B4C中子吸收球，其特征在于，所述碳包覆层的厚度为8～15微米。
4.按权利要求1或2所述的一种C-B4C中子吸收球，其特征在于，所述碳包覆层的外表面具有一层碳化硅包覆层，碳化硅包覆层的厚度为5～20微米。
5.一种C-B4C中子吸收球的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)采用质量含量为20～30％的碳化硼粉体，质量含量为55～64％的石墨粉体，质量含量为15～20％酚醛树脂粉体为原料，以有机溶剂为溶剂混合形成浆料；
(2)将步骤(1)所得的浆料造粒、冷等静压形成素坯吸收球；
(3)将步骤(2)所得的产物在保护气氛下，在800～1300℃高温热处理；
(4)将步骤(3)所得的产物在真空条件下，在1100～1500℃高温热处理；
(5)将步骤(4)所得的产物采用化学气相沉积方法形成一层碳包覆层，化学气相沉积的沉积温度950～1300℃，沉积压力5～25KPa。
6.按权利要求5所述的一种C-B4C中子吸收球的制备方法，其特征在于，将步骤(5)所得的产物采用化学气相沉积方法形成一层碳化硅包覆层，化学气相沉积的沉积温度950～1300℃，沉积压力5～25KPa。
7.按权利要求5或6所述的一种C-B4C中子吸收球的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中高温热处理是以每分钟1～5℃升温速率升至800～1100℃。
8.按权利要求5或6所述的一种C-B4C中子吸收球的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中高温热处理是以每分钟5～10℃升温速率升至1100～1500℃。
9.按权利要求5或6所述的一种C-B4C中子吸收球的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的有机溶剂为无水乙醇或丙酮或乙醚。
10.按权利要求5或6所述的一种C-B4C中子吸收球的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的浆料的固含量质量百分比为40～70％。
11.按权利要求5或6所述的一种C-B4C中子吸收球的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的造粒方法为喷雾干燥或手工造粒。
12.按权利要求5或6所述的一种C-B4C中子吸收球的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的冷等静压成型压力为200～300MPa。
13.按权利要求5或6所述的一种C-B4C中子吸收球的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的保护气氛为氮气，或氩气，或氮气和氩气的混合。
14.按权利要求5或6所述的一种C-B4C中子吸收球的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述的真空条件为真空度小于10Pa。
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