CN108516802A - 一种三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于金属陶瓷技术领域的一种三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷及其制备方法。该陶瓷包括大于0且小于等于7％的Bi2O3和余量的PbO和/或Pb3O4，制备中以去离子水为粘结剂，经压制、烧结、冷却得到高硬度、三点弯曲强度和致密度的三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷，在第四代反应堆铅铋合金固态氧控系统中能更加稳定地调节氧浓度。

Description

一种三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷及其制备方法
技术领域
本发明属于金属陶瓷技术领域，特别涉及一种三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷及其制备方法。
背景技术
核能的发展具有广阔的前景，现今，第四代反应堆中的铅冷快堆(LFR)有望成为首个实现工程示范及商业应用的第四代先进核能系统。而且，与第四代反应堆技术同步发展的加速器驱动次临界系统(ADS)铅基冷却反应堆技术的开发也可借鉴LFR的研究成果。铅铋合金(Pb：44.5wt％、Bi：55.5wt％)由于其独特的物理性质和化学性质而成为ADS散裂靶材料及次临界反应堆冷却剂的首选材料，也是先进快中子堆冷却剂的重要候选材料。
然而铅铋合金对金属管道具有较强的腐蚀性，需要通过控制氧含量保护管道表面，氧化铅陶瓷颗粒通过在液态铅铋合金中的溶解析出来实现固态氧控；目前有关用于固态氧控系统中氧化铅陶瓷颗粒的研究甚少，目前用于固态氧控的氧化铅陶瓷和铅增韧的氧化铅陶瓷均存在不同程度的耐磨性差、易破损碎裂，较难满足高温液态金属冲刷要求的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷及其制备方法，具体技术方案如下：
一种三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷，以质量百分数计，所述三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷包括大于0且小于等于7％的Bi2O3和余量的铅粉。
所述铅粉为PbO和/或Pb3O4。
所述Bi2O3、PbO、Pb3O4的纯度大于99％。
一种所述三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷的制备方法包括以下步骤：
(1)混合Bi2O3、铅粉，并添加0～5wt％的去离子水作为粘结剂，充分混合、研磨均匀；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末预压制成粉末坯体，然后研磨成粉末添加0～5wt％的去离子水作为粘结剂，研磨均匀；
(3)将步骤(2)得到的混合粉末置于金属模具中压制成陶瓷压坯；
(4)将步骤(3)得到的陶瓷压坯升温烧结，冷却后得到三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷。
所述步骤(1)、步骤(2)以去离子水为陶瓷粘结剂，可以保证不掺加其他杂质的同时，使坯体易于成型。
所述步骤(2)中预压制的压力为7～35MPa，压制时间为2～10min。
所述步骤(3)中金属模具压制成型参数为：以0.1～0.5MPa/s的加压速率加压至4～40MPa，保压3～10min，然后以0.1MPa/s的降压速率泄压；以保证对混合粉末均匀加压，使用较低的泄压速度能够防止坯体泄压过快产生裂纹。
所述步骤(4)升温烧结温度为580～620℃，保温60～120min。
所述步骤(4)烧结炉使用马弗炉或微波加热炉。
所述步骤(4)冷却为降温冷却或随炉冷却，降温冷却的降温速度为45～60℃/min。
本发明的有益效果为：本发明提供的三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷，与现有的纯PbO陶瓷、Pb增韧的PbO陶瓷相比，有着更高的硬度、弯曲强度和致密度，在微观组织结构上，其晶粒的生长也更为均匀；应用于第四代反应堆铅铋合金固态氧控系统中，一方面，在高温液态铅铋合金冲刷下不易冲刷破裂且能调节液态铅铋合金系统中的氧浓度，应用稳定性更强；另一方面，以去离子水为粘结剂，无杂质引入，能有效保证液态铅铋合金的纯度；具有显著的工业价值。
附图说明
图1为实施例1微波烧结得到的3％Bi2O3-97％PbO陶瓷扫描电镜图；
图2为实施例1马弗炉烧结得到的3％Bi2O3-97％PbO陶瓷扫描电镜图；
图3为现有技术马弗炉烧结得到的纯PbO陶瓷扫描电镜图；
图4为实施例1马弗炉烧结得到的3％Bi2O3-97％PbO陶瓷的X射线衍射图谱及通过相同方法制备的纯PbO陶瓷的X射线衍射图谱。
具体实施方式
本发明提供了一种三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷及其制备方法，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
实施例1
按照以下步骤制备三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷：
(1)将纯度均大于99％的Bi2O3和PbO按质量比为3:97的比例混合，添加5wt％去离子水，充分混合，研磨均匀；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末在30MPa压力下预压2min进行预压处理，得到预压片，然后将预压片捣碎研磨，再添加2wt％去离子水，研磨均匀，用以去除压制成型过程中的横向开裂现象；
(3)将步骤(2)得到的混合粉末倒入半径为20mm的模具中，进行保压及泄压处理，压制成所需形状的压坯：保压及泄压处理工艺为以0.5MPa/s的速度加压至40MPa，保压2min，然后以0.1MPa/s的速度泄压；
(4)分别通过以下两种方式将步骤(3)得到的陶瓷压坯升温烧结、冷却处理：
A、微波烧结、随炉冷却；
将步骤(3)所得压坯放入微波烧结容器中，将微波烧结容器放入微波加热炉中；以40～60℃/min的速率加热至620℃，保温60min；然后随炉冷却至室温得到3％Bi2O3-97％PbO陶瓷，陶瓷的显微结构如图1扫描电镜所示；
B、常规马弗炉烧结、随炉冷却；
将步骤(3)所得压坯直接放入常规马弗炉中加热，以10～15℃/min速率加热至620℃，保温2h；烧结完成后随炉冷却至室温，将其取出得到3％Bi2O3-97％PbO陶瓷，陶瓷的显微结构如图2扫描电镜所示；
由图1、图2可知，实施例1制备得到的3％Bi2O3-97％PbO陶瓷晶体在烧结过程中生长较为均匀，且微波烧结的陶瓷表面几乎没有孔隙；
图3为现有技术马弗炉烧结得到的纯PbO陶瓷扫描电镜图，相比于图1、2，图3中现有技术中纯PbO陶瓷的晶粒形状为细长型，且晶粒生长不均匀。
图4为实施例1马弗炉烧结得到的3％Bi2O3-97％PbO陶瓷的X射线衍射图谱及通过相同方法制备的纯PbO陶瓷的X射线衍射图谱，从图4中可见，添加了Bi2O3粉末的陶瓷烧结后其衍射峰与纯PbO陶瓷的一致，主晶相均为PbO，无其他相存在，因此添加Bi2O3粉末的烧结方式为固溶烧结。
实施例2
按照与实施例1相同的方法制备Bi2O3-PbO陶瓷，原料粉末Bi2O3和PbO按质量比5:95均匀混合，烧结处理在常规马弗炉620℃下进行，得到半径为20mm的圆形薄片状5％Bi2O3-95％PbO陶瓷。
实施例3
按照与实施例1相同的方法制备Bi2O3-PbO陶瓷，原料粉末Bi2O3和PbO原按质量比7:93均匀混合，烧结处理在常规马弗炉620℃下进行，得到半径为20mm的圆形薄片状7％Bi2O3-93％PbO陶瓷。
对实施例1、2、3制备得到的Bi2O3-PbO陶瓷和现有技术制备方法获得的纯PbO陶瓷、Pb增韧的PbO陶瓷进行维氏硬度、三点弯曲强度对比得到如表1、2所示数据；
从表1可以看出，通过添加Bi2O3粉末能够大大提高陶瓷硬度；且添加不同比例Bi2O3粉末的氧化铅陶瓷的硬度均高于纯PbO陶瓷，其中实施例1微波烧结制备得到的3％Bi2O3-97％PbO陶瓷硬度几乎是纯PbO陶瓷的2倍。
从表2可以看出，在常规马弗炉烧结下，添加了Bi2O3粉末的氧化铅陶瓷的弯曲强度较已有的纯PbO陶瓷及Pb增韧的PbO陶瓷有着明显的增强，当Bi2O3粉末达到3wt％时，烧结出的陶瓷三点弯曲强度已达到较高的水平，几乎达到纯PbO陶瓷弯曲强度的10倍。
通过阿基米德测密度原理对实施例1常规马弗炉烧结制备得到的Bi2O3-PbO陶瓷进行密度测试，并与已有的纯PbO陶瓷、Pb增韧的PbO陶瓷密度对比，得到如表3所示数据。
从表3可以看出，实施例1制备得到的Bi2O3-PbO陶瓷的实际密度接近理论密度，致密度高于纯PbO陶瓷及Pb增韧的PbO陶瓷，说明了添加了Bi2O3粉末的氧化铅陶瓷内部孔隙较少，制备方法中的烧结温度及保温时间降低了陶瓷内部孔隙的生成。
表1氧化铅陶瓷维氏硬度数据对比
表2氧化铅陶瓷三点弯曲强度数据对比
表3氧化铅陶瓷密度数据对比

Claims (9)

1.一种三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷，其特征在于，以质量百分数计，包括大于0且小于等于7％的Bi2O3和余量的铅粉。
2.根据权利要求1所述的三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷，其特征在于，所述铅粉为PbO和/或Pb3O4。
3.根据权利要求1所述的三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷，其特征在于，所述Bi2O3、PbO、Pb3O4的纯度大于99％。
4.一种权利要求1～3任一项所述的三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷的制备方法，其特征在于，所述制备包括以下步骤：
(1)混合Bi2O3、铅粉，并添加0～5wt％的去离子水，充分混合、研磨均匀；
(2)将步骤(1)得到的混合粉末预压制成粉末坯体，然后研磨成粉末添加0～5wt％的去离子水，研磨均匀；
(3)将步骤(2)得到的混合粉末置于金属模具中压制成陶瓷压坯；
(4)将步骤(3)得到的陶瓷压坯升温烧结，冷却后得到三氧化二铋增韧的氧化铅陶瓷。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中预压制的压力为7～35MPa，压制时间为2～10min。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中金属模具压制成型参数为：以0.1～0.5MPa/s的加压速率加压至4～40MPa，保压3～10min，然后以0.1MPa/s的降压速率泄压。
7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)升温烧结温度为580～620℃，保温60～120min。
8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)烧结炉使用马弗炉或微波加热炉。
9.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)冷却为降温冷却或随炉冷却，降温冷却的降温速度为45～60℃/min。
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