CN106756281A - 一种高稀土含量的中子吸收材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高稀土含量的中子吸收材料及其制备方法，按质量分数由10％—35％碳化硼、40％—75％铝合金、5％—40％铝稀土中间合金组成；大幅度的提高铝基碳化硼中子吸收材料的中子吸收性能；采用了粉末冶金方法，用高能球磨、热压烧结工艺制备出铝基碳化硼中子吸收材料，使材料具有良好的分布均匀性，和细小的晶粒尺寸，热压烧结工艺又保证了铝基碳化硼中子吸收材料具有高的致密度，并使部分稀土固溶到铝基体中形成铝稀土固溶体；利用碳化硼、弥散的铝稀土金属间化合物和铝稀土固溶体贡献中子吸收性能；本发明在保证铝基碳化硼中子吸收材料具有较好的力学性能的同时，提高铝基碳化硼中子吸收材料的中子吸收性能。

Description

一种高稀土含量的中子吸收材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高稀土含量的中子吸收材料及其制备方法。
背景技术
铝基碳化硼中子吸收材料是由碳化硼陶瓷和金属铝基体通过一定成形方法复合构成的复合材料。我们常选择碳化硼作为中子吸收材料。碳化硼具有硬度高、密度低、高的化学稳定性和耐磨性以及良好的中子吸收能力等诸多优点，且碳化硼在吸收大量中子的同时不会发生反应而生成其他放射性同位素，原料相对便宜容易获取。但是其韧性较差。而铝金属具有材质轻、韧性好而且成本低廉的特点，因此将两者优点相结合的铝基碳化硼中子吸收材料的研究备受关注。铝基碳化硼中子吸收材料由于制备成本低廉，具有良好的机械力学性能和热中子吸收性能，已经被美国核管会批准用于乏燃料湿法存储设备。铝基碳化硼中子吸收材料主要是以板的形式在乏燃料水池或燃料运输容器中使用。
目前已知的具有高中子吸收截面的元素主要有硼、镉、钐、铪、铟、钆等，这些元素均可加入材料中起吸收中子的功能。钆的一个重要特性是最外层4f轨道上，每个轨道上各有一个电子，是稀土元素中最大数的不成对电子，是所有元素中对热中子吸收能力最强的元素。钐也具有很强的热中子吸收能力。现有的铝基碳化硼中子吸收材料的中子吸收性能主要由碳化硼含量决定，而硼元素并不是中子吸收性能最高的元素，所以造成了现有的铝基碳化硼中子吸收材料中子吸收性能不足的缺点。为了进一步提高铝基碳化硼中子吸收材料的中子吸收性能，我们考虑将稀土元素钆、钐引入到铝基碳化硼中子吸收材料中。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的铝基碳化硼中子吸收材料中子吸收性能不足的缺点，为了进一步提高铝基碳化硼中子吸收材料的中子吸收性能，将稀土元素钆、钐引入到铝基碳化硼中子吸收材料中，提供一种具有高稀土含量，可有效提高铝基碳化硼中子吸收材料中子吸收性能的复合材料。
具体的技术方案如下：
一种高稀土含量的中子吸收材料，所述中子吸收材料，按重量百分比计由10％—35％碳化硼、40％—75％铝合金、5％—40％铝稀土中间合金组成。
所述的高稀土含量的中子吸收材料，其中，铝稀土中间合金为铝钆中间合金、铝钐中间合金，铝钆和铝钐中间合金中稀土重量百分比为为10-50％。
所述的高稀土含量的中子吸收材料，其中，所述碳化硼粉粒度为1—20μm，所述的铝合金粉粒度为1—20μm，所述的铝稀土中间合金粉粒度为10—100μm。
所述的高稀土含量的中子吸收材料，其中高稀土含量的中子吸收材料按以下步骤进行：
(1)高能球磨：称取重量百分比比为20％—35％碳化硼粉、25％—75％铝合金粉、5％—40％铝稀土中间合金粉作为原材料，将原材料放入罐中，在罐中加入磨球，球料重量比为2:1—10:1，将罐密封后在行星式球磨机中混合均匀，球磨机转速为200—350rpm，球磨时间为1h—30h，同时加入硬脂酸做过程控制剂，硬脂酸占原材料的1wt％—2wt％；
(2)冷压除气抽真空：将混合好的粉末装入模具中，将模具放入热压炉中，先增大压力进行冷压除气处理，然后进行抽高真空处理，真空度抽至3×10-2Pa，冷压压力为20—60MPa；
(3)热压烧结：真空度抽至3×10-2Pa后进行烧结，热压压力为20—60MPa，烧结时先由室温加热到300℃后保温0.5—1h，进一步进行除气处理，再加热至烧结温度620—650℃后保温，烧结保温时间为1h—4h，热压烧结过程中继续抽高真空处理，真空度抽至1×10- 3Pa，保温一定时间后，在高真空下随炉冷却至室温；
(4)热轧处理：将烧结后的复合材料进行多道次热轧处理，轧制道次间经450—500℃退火处理。
所述的铝合金粉、碳化硼粉、铝稀土中间合金粉三种粉末的混合粉，经过步骤(1)高能球磨后，会将铝稀土中间合金打碎成稀土单质，并形成铝稀土固溶体。
本发明的有益效果在于：
钆是所有元素中对热中子吸收能力最强的元素，钐也具有很强的热中子吸收能力。现有的铝基碳化硼中子吸收材料的中子吸收性能主要由碳化硼含量决定，而硼元素并不是中子吸收性能最高的元素，所以造成了现有的铝基碳化硼中子吸收材料中子吸收性能不足的缺点。为了进一步提高铝基碳化硼中子吸收材料的中子吸收性能，我们考虑将稀土元素钆、钐引入到铝基碳化硼中子吸收材料中。将高含量的稀土元素钆、钐加入铝基碳化硼中子吸收材料，可以大幅度的提高铝基碳化硼中子吸收材料的中子吸收性能。同时，由于采用了粉末冶金方法，用高能球磨、热压烧结工艺制备出铝基碳化硼中子吸收材料，其中高能球磨法可以使材料具有良好的分布均匀性，和细小的晶粒尺寸，并能打碎铝稀土中间合金，形成铝稀土固溶体，从而使稀土元素分布更均匀，热压烧结工艺又保证了铝基碳化硼中子吸收材料具有高的致密度，所以本发明将在提高铝基碳化硼中子吸收材料的中子吸收性能的同时，也能保证铝基碳化硼中子吸收材料具有较好的力学性能
附图说明
图1为实施例一的含5％铝钆中间合金的铝基碳化硼中子吸收材料的显微组织图：(a)热压烧结态下的显微组织。
图2为实施例一的含5％铝钆中间合金的铝基碳化硼中子吸收材料的显微组织图：和(b)热轧态下的显微组织。
图3为实施例二的含10％铝钆中间合金的铝基碳化硼中子吸收材料的显微组织图：(a)热压烧结态下的显微组织。
图4为实施例二的含10％铝钆中间合金的铝基碳化硼中子吸收材料的显微组织图：(b)热轧态下的显微组织。
图5为实施例三的含25％铝钆中间合金的铝基碳化硼中子吸收材料的显微组织图：热轧态下的显微组织。
图6为实施例三的含25％铝钆中间合金的铝基碳化硼中子吸收材料混合粉末经过高能球磨后的XRD曲线，可以看到经过高能球磨后，铝钆中间合金打碎出钆单质，并且钆固溶于铝中形成固溶体。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清晰明确，下面结合附图对本发明进行进一步描述，任何对本发明技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本发明保护范围。
实施例一
结合图1、图2，一种高稀土含量的中子吸收材料，其中高稀土含量的中子吸收材料按以下步骤进行：
(1)高能球磨：称取重量比为30％碳化硼粉、65％铝合金粉、5％铝钆中间合金粉，放入罐中，在罐中加入磨球，球料重量比为5:1，将罐密封后在行星式球磨机中混合均匀，球磨机转速为300rpm，球磨时间为20h，同时加入硬脂酸做过程控制剂，硬脂酸占原材料的1wt％；
(2)冷压除气抽真空：将混合好的粉末装入模具中，将模具放入热压炉中，先增大压力进行冷压除气处理，然后进行抽高真空处理，真空度抽至3×10-2Pa，冷压压力为20MPa；
(3)热压烧结：真空度抽至3×10-2Pa后进行烧结，热压压力为20MPa，烧结时先由室温加热到300℃后保温0.5h，进一步进行除气处理，再加热至烧结温度630℃后保温，烧结保温时间为2h，热压烧结过程中继续抽高真空处理，真空度抽至1×10-3Pa，保温一定时间后，在高真空下随炉冷却至室温；
(4)热轧处理：将烧结后的复合材料进行多道次热轧处理，轧制道次间经450℃退火处理。
得到了本发明的一种高稀土含量的铝基碳化硼中子吸收材料。
实施例二
结合图3、图4，一种高稀土含量的中子吸收材料，其中高钆含量的中子吸收材料按以下步骤进行：
(1)高能球磨：称取重量比为30％碳化硼粉、60％铝合金粉、10％铝钆中间合金粉作为原材料，放入罐中，在罐中加入磨球，球料重量比为5:1，将罐密封后在行星式球磨机中混合均匀，球磨机转速为300rpm，球磨时间为8h，同时加入硬脂酸做过程控制剂，硬脂酸占原材料的2wt％；
(2)冷压除气抽真空：将混合好的粉末装入模具中，将模具放入热压炉中，先增大压力进行冷压除气处理，然后进行抽高真空处理，真空度抽至3×10-2Pa，冷压压力为30MPa；
(3)热压烧结：真空度抽至3×10-2Pa后进行烧结，热压压力为30MPa，烧结时先由室温加热到300℃后保温0.5h，进一步进行除气处理，再加热至烧结温度620℃后保温，烧结保温时间为2h，热压烧结过程中继续抽高真空处理，真空度抽至1×10-3Pa，保温一定时间后，在高真空下随炉冷却至室温；
(4)热轧处理：将烧结后的复合材料进行多道次热轧处理，轧制道次间经450℃退火处理。
得到了本发明的一种高稀土含量的铝基碳化硼中子吸收材料。
实施例三
结合图5、图6，一种高稀土含量的中子吸收材料，其中高钆含量的中子吸收材料按以下步骤进行：
(1)高能球磨：称取重量比为30％碳化硼粉、45％铝合金粉、25％铝钆中间合金粉作为原材料，放入罐中，在罐中加入磨球，球料重量比为10:1，将罐密封后在行星式球磨机中混合均匀，球磨机转速为350rpm，球磨时间为8h，同时加入硬脂酸做过程控制剂，硬脂酸占原材料的2wt％；
(2)冷压除气抽真空：将混合好的粉末装入模具中，将模具放入热压炉中，先增大压力进行冷压除气处理，然后进行抽高真空处理，真空度抽至3×10-2Pa，冷压压力为40MPa；
(3)热压烧结：真空度抽至3×10-2Pa后进行烧结，热压压力为40MPa，烧结时先由室温加热到300℃后保温0.5h，进一步进行除气处理，再加热至烧结温度650℃后保温，烧结保温时间为2h，热压烧结过程中继续抽高真空处理，真空度抽至1×10-3Pa，保温一定时间后，在高真空下随炉冷却至室温；
(4)热轧处理：将烧结后的复合材料进行多道次热轧处理，轧制道次间经500℃退火处理。
得到了本发明的一种高稀土含量的铝基碳化硼中子吸收材料。
实施例四
一种高稀土含量的中子吸收材料，其中高钐含量的中子吸收材料按以下步骤进行：
(1)高能球磨：称取重量比为30％碳化硼粉、65％铝合金粉、5％铝钐中间合金粉作为原材料，放入罐中，在罐中加入磨球，球料重量比为5:1，将罐密封后在行星式球磨机中混合均匀，球磨机转速为300rpm，球磨时间为5h，同时加入硬脂酸做过程控制剂，硬脂酸占原材料的2wt％；
(2)冷压除气抽真空：将混合好的粉末装入模具中，将模具放入热压炉中，先增大压力进行冷压除气处理，然后进行抽高真空处理，真空度抽至3×10-2Pa，冷压压力为30MPa；
(3)热压烧结：真空度抽至3×10-2Pa后进行烧结，热压压力为30MPa，烧结时先由室温加热到300℃后保温1h，进一步进行除气处理，再加热至烧结温度620℃后保温，烧结保温时间为2h，热压烧结过程中继续抽高真空处理，真空度抽至1×10-3Pa，保温一定时间后，在高真空下随炉冷却至室温；
(4)热轧处理：将烧结后的复合材料进行多道次热轧处理，轧制道次间经450℃退火处理。
得到了本发明的一种高稀土含量的铝基碳化硼中子吸收材料。

Claims (5)

1.一种高稀土含量的中子吸收材料，其特征在于，所述中子吸收材料，按重量百分比计由10％—35％碳化硼、40％—75％铝合金、5％—40％铝稀土中间合金组成。
2.根据权利要求1中所述的高稀土含量的中子吸收材料，其特征在于，所述的铝稀土中间合金为铝钆中间合金或铝钐中间合金，铝钆和铝钐中间合金中稀土重量百分比为为10-50％。
3.根据权利要求1中所述的高稀土含量的中子吸收材料，其特征在于，所述的碳化硼粉粒度为1—20μm，所述的铝合金粉粒度为1—20μm，所述的铝稀土中间合金粉粒度为10—100μm。
4.一种高稀土含量的中子吸收材料的制备方法，其特征在于，所述的高稀土含量的中子吸收材料按以下步骤进行：
(1)高能球磨：称取重量比为20％—35％碳化硼粉、25％—75％铝合金粉、5％—40％铝稀土中间合金粉，放入罐中，在罐中加入磨球，球料重量比为2:1—10:1，将罐密封后在行星式球磨机中混合均匀，球磨机转速为200—350rpm，球磨时间为1h—30h，同时加入1％—2％重量分数的硬脂酸做过程控制剂；
(2)冷压除气抽真空：将混合好的粉末装入模具中，将模具放入热压炉中，先增大压力进行冷压除气处理，然后进行抽高真空处理，真空度抽至大于3×10-2Pa，冷压压力为20—60MPa；
(3)热压烧结：真空度抽至大于3×10-2Pa后进行烧结，热压压力为20—60MPa，烧结时先由室温加热到300℃后保温0.5—1h，进一步进行除气处理，再加热至烧结温度620—650℃后保温，烧结保温时间为1h—10h，热压烧结过程中继续抽高真空处理，真空度抽至1×10- 3Pa，保温一定时间后，在高真空下随炉冷却至室温；
(4)热轧处理：将烧结后的复合材料进行多道次热轧处理，轧制道次间经450—500℃退火处理。
5.根据权利要求4中所述的一种高稀土含量的中子吸收材料的制备方法，其特征在于，所述的铝合金粉、碳化硼粉、铝稀土中间合金粉三种粉末的混合粉，经过步骤(1)高能球磨后，将铝稀土中间合金打碎出稀土单质，并形成铝稀土固溶体。
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