CN108504909A - 一种铝基复合屏蔽材料及其制备方法 - Google Patents

一种铝基复合屏蔽材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种铝基复合屏蔽材料及其制备方法，本发明属于核辐射防护复合材料制备及应用的技术领域，具体涉及一种铝基复合屏蔽材料及其制备方法。本发明是要解决现有核辐射、射线防护材料屏蔽性能单一的问题。一种铝基复合屏蔽材料按体积分数由1％～50％单质硼、1％～50％单质钨和1～99％含铝材料制成。方法：一、称量；二、混粉；三、过筛、烘干；四、冷压成型；五、放电等离子烧结、脱模。本发明的复合屏蔽材料具有优异的X、γ射线以及中子综合屏蔽性能，致密度高，力学性能和加工性能好；材料制备方法烧结温度低，烧结时间短，高效节能简便。本发明的铝基复合屏蔽材料用于核辐射防护。

Description

一种铝基复合屏蔽材料及其制备方法
技术领域
本发明属于核辐射防护复合材料制备及应用的技术领域，具体涉及一种铝基复合屏蔽材料及其制备方法。
背景技术
对于核能源的使用必须考虑辐射防护问题，而防护的重点问题是具有强穿透力的X射线、γ射线和中子。目前使用较多的具有综合屏蔽性能的材料主要有铅硼混凝土、铅硼聚乙烯和硼钢。铅硼混凝土密度大、屏蔽效能不足；铅硼聚乙烯密度低、综合屏蔽性能好，但是其力学性能低，不能满足结构-功能一体化要求，且耐热性差，使用温度一般不得高于80～100℃；硼钢力学性能优异，但含硼量低、Fe原子序数不高，综合屏蔽效能有限。针对发展结构-功能一体化辐射屏蔽材料的需求，近年来，国内外开展了大量的研究，设计开发具有高强度、高模量且具有优良的X射线、γ射线和中子综合屏蔽性能的材料，例如含硼的铅基复合材料(CN100335664C、CN102260813A等)，含硼、铅的铝基复合材料(CN102268582A、CN103045916A、CN104190914A、CN105014075A等)、含硼、钨的铝基复合材料(CN103045916A、CN103276254A等)等。但是上述复合材料中铅有毒性，且在能量介于40～88KeV之间存在“Pb的弱吸收区”。此外，选用的含硼物质主要为B4C颗粒，B4C与Al易在界面生成Al4C3脆性相，为改善B4C与铝的润湿性，控制界面反应，需加入活性烧结剂，这将会引入杂质元素，不利于力学性能的改善；而且B4C颗粒是常用磨料，B4C颗粒的加入将大大增大材料的加工难度。
发明内容
本发明是要解决现有核辐射、射线防护材料屏蔽性能单一的问题，而提供一种铝基复合屏蔽材料及其制备方法。
本发明一种铝基复合屏蔽材料按体积分数由1％～50％单质硼、1％～50％单质钨和1～99％含铝材料制成；所述的含铝材料为铝或铝合金。
本发明一种铝基复合屏蔽材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、按体积分数称取1％～50％硼粉、1％～50％钨粉和1～99％含铝材料；所述的含铝材料为铝或铝合金；
二、将步骤一称取的1％～50％硼粉、1％～50％钨粉和1～99％含铝材料放入球磨罐中，在转速100～300r/min的条件下球磨1～5h，得到混合粉体；
三、将混合粉体过20～100目筛后放入真空干燥箱中，在温度为60～100℃的条件下烘干2～4h，得到干燥的粉体；
四、将干燥的粉体倒入石墨模具中，在压力为5～15MPa条件下保压10～20min，制成素坯；
五、将素坯连同模具置于放电等离子烧结炉中，抽真空，以30～120℃/min的速率将放电等离子烧结炉中的温度从室温升至450～650℃，在温度为450～650℃的条件下施加25～55MPa的压力，保温保压5～25min，随炉冷却至室温，脱模，得到铝基复合屏蔽复合材料。
本发明的有益效果是：
本发明通过硼元素和钨元素的加入，利用铝基合金作为高强、高韧承载体，其力学性能和耐热性指标远远高于碳化硼/铅复合材料和铅硼聚乙烯复合材料，同时具有X射线、γ射线和中子综合屏蔽效能。采用纯硼作中子吸收剂，10B含量高，进一步提高了材料的屏蔽性能，采用W作为X射线和γ射线吸收剂，W相较于Pb，无毒，且避免了40～88KeV之间出现弱吸收区；采用放电等离子烧结法制备，大大降低烧结温度，减小界面反应速率，避免有害相生成，有助于复合材料力学性能的改善。此外，本发明所采用的制备方法对硼粉、钨粉以及铝粉的形貌、粒径均无特殊要求，且不需要进行前处理，烧结温度低，烧结迅速，材料制备周期短，工艺简单高效；此外可根据需求精确调控硼元素和钨元素含量，有效控制屏蔽材料对X射线、γ射线和中子的屏蔽性能。
附图说明
图1为实施例一得到的铝基复合屏蔽材料的宏观照片；
图2为实施例一得到的铝基复合屏蔽材料的微观形貌图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种铝基复合屏蔽材料按体积分数由1％～50％单质硼、1％～50％单质钨和1～99％含铝材料制成；所述的含铝材料为铝或铝合金。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述硼粉为富含10B同位素的单质硼，其中10B同位素的丰度为19％～99％，所述硼粉的粒径为0.1μm～50μm；所述钨粉的粒径为0.1μm～50μm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述铝为工业纯铝；所述铝合金为Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Si-Cu-Mg合金和Ai-Zn-Mg合金中的一种或其中几种的组合；所述含铝材料的粒度为5μm～70μm。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式一种铝基复合屏蔽材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、按体积分数称取1％～50％硼粉、1％～50％钨粉和1～99％含铝材料；所述的含铝材料为铝或铝合金；
二、将步骤一称取的1％～50％硼粉、1％～50％钨粉和1～99％含铝材料放入球磨罐中，在转速100～300r/min的条件下球磨1～5h，得到混合粉体；
三、将混合粉体过20～100目筛后放入真空干燥箱中，在温度为60～100℃的条件下烘干2～4h，得到干燥的粉体；
四、将干燥的粉体倒入石墨模具中，在压力为5～15MPa条件下保压10～20min，制成素坯；
五、将素坯连同模具置于放电等离子烧结炉中，抽真空，以30～120℃/min的速率将放电等离子烧结炉中的温度从室温升至450～650℃，在温度为450～650℃的条件下施加25～55MPa的压力，保温保压5～25min，随炉冷却至室温，脱模，得到铝基复合屏蔽复合材料。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一中所述硼粉为富含10B同位素的单质硼，其中10B同位素的丰度为19％～99％，所述硼粉的粒径为0.1μm～50μm；所述钨粉的粒径为0.1μm～50μm。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是：步骤一中所述铝为工业纯铝；所述铝合金为Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Si-Cu-Mg合金和Ai-Zn-Mg合金中的一种或其中几种的组合；所述含铝材料的粒度为5μm～70μm。其他与具体实施方式四或五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是：步骤一中按体积分数称取50％硼粉、5％钨粉和45％含铝材料。其他与具体实施方式四至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是：步骤一中按体积分数称取3％硼粉、50％钨粉和47％含铝材料。其他与具体实施方式四至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是：步骤一中按体积分数称取20％钨粉、5％硼粉和75％含铝材料。其他与具体实施方式四至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九之一不同的是：步骤二中所述球磨的球墨比为(1～7):1。其他与具体实施方式四至九之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式四至十之一不同的是：步骤二中所述球磨的磨球是直径为3～15mm的氧化铝、玛瑙或氧化锆球。其他与具体实施方式四至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式四至十一之一不同的是：步骤五中以30～120℃/min的速率将放电等离子烧结炉中的温度从室温升至500～600℃。其他与具体实施方式四至十一之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：一种铝基复合屏蔽材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、按体积分数称取3％硼粉、20％钨粉和77％含铝材料；所述的含铝材料为铝或铝合金；
二、将步骤一称取的3％硼粉、20％钨粉和77％含铝材料放入球磨罐中，在转速200r/min的条件下球磨3h，得到混合粉体；
三、将混合粉体过60目筛后放入真空干燥箱中，在温度为80℃的条件下烘干3h，得到干燥的粉体；
四、将干燥的粉体倒入石墨模具中，在压力为10MPa条件下保压20min，制成素坯；
五、将素坯连同模具置于放电等离子烧结炉中，抽真空，以100℃/min的速率将放电等离子烧结炉中的温度从室温升至550℃，在温度为550℃的条件下施加35MPa的压力，保温保压15min，随炉冷却至室温，脱模，得到铝基复合屏蔽复合材料。
对本实施例制备的铝基复合屏蔽复合材料进行力学性能检测，其拉伸强度达350MPa，弯曲强度632MPa，较传统的复合屏蔽材料相比，界面结合状况良好，强度高，力学性能优良，可作为工程材料使用；15mm试样的γ射线屏蔽率为35％，热中子屏蔽率为92％，既可用于单一辐射防护，又可用于对多种辐射的防护。
图1为实施例一得到的铝基复合屏蔽材料的宏观照片；图2为实施例一得到的铝基复合屏蔽材料的微观形貌图，从图1和图2可见复合材料中功能颗粒分布均匀，不存在明显偏聚。

Claims (10)

1.一种铝基复合屏蔽材料，其特征在于铝基复合屏蔽材料按体积分数由1％～50％硼粉、1％～50％钨粉和1～99％含铝材料制成；所述的含铝材料为铝或铝合金。
2.根据权利要求1所述的一种铝基复合屏蔽材料，其特征在于所述硼粉为富含10B同位素的单质硼，其中10B同位素的丰度为19％～99％，所述硼粉的粒径为0.1μm～50μm；所述钨粉的粒径为0.1μm～50μm。
3.根据权利要求1所述的一种铝基复合屏蔽材料，其特征在于所述铝为工业纯铝；所述铝合金为Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Si-Cu-Mg合金和Ai-Zn-Mg合金中的一种或其中几种的组合；所述含铝材料的粒度为5μm～70μm。
4.如权利要求1所述一种铝基复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于铝基复合屏蔽材料的制备方法是按以下步骤进行：
一、按体积分数称取1％～50％硼粉、1％～50％钨粉和1～99％含铝材料；所述的含铝材料为铝或铝合金；
二、将步骤一称取的1％～50％硼粉、1％～50％钨粉和1～99％含铝材料放入球磨罐中，在转速100～300r/min的条件下球磨1～5h，得到混合粉体；
三、将混合粉体过20～100目筛后放入真空干燥箱中，在温度为60～100℃的条件下烘干2～4h，得到干燥的粉体；
四、将干燥的粉体倒入石墨模具中，在压力为5～15MPa条件下保压10～20min，制成素坯；
五、将素坯连同模具置于放电等离子烧结炉中，抽真空，以30～120℃/min的速率将放电等离子烧结炉中的温度从室温升至450～650℃，在温度为450～650℃的条件下施加25～55MPa的压力，保温保压5～25min，随炉冷却至室温，脱模，得到铝基复合屏蔽复合材料。
5.根据权利要求4所述的一种铝基复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于步骤一中按体积分数称取50％硼粉、5％钨粉和45％含铝材料。
6.根据权利要求4所述的一种铝基复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于步骤一中按体积分数称取3％硼粉、50％钨粉和47％含铝材料。
7.根据权利要求4所述的一种铝基复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于步骤一中按体积分数称取20％钨粉、5％硼粉和75％含铝材料。
8.根据权利要求4所述的一种铝基复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述球磨的球墨比为(1～7):1。
9.根据权利要求4所述的一种铝基复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于步骤二中所述球磨的磨球是直径为3～15mm的氧化铝、玛瑙或氧化锆球。
10.根据权利要求4所述的一种铝基复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于步骤五中以30～120℃/min的速率将放电等离子烧结炉中的温度从室温升至500～600℃。
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