CN109913680A - 一种中子屏蔽铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种中子屏蔽铝基复合材料及其制备方法。该中子屏蔽铝基复合材料采用纯铝作为基体材料，屏蔽组分为金属氢化物和富10B单质或化合物；其中，金属氢化物的质量百分含量为20％～50％；富10B单质或化合物的质量百分含量为10％～20％；余量为铝和不可避免的杂质。其制备方法包括如下步骤：(1)按铝基复合材料的成分配比称取原料粉末；(2)在氩气保护条件下混料；(3)将混合料进行冷等静压成型，得到冷等静压坯锭；(4)将冷等静压坯锭装入铝包套，于300～450℃脱气后进行热等静压成型；(5)去除铝包套，得到铝基复合材料。本发明的中子屏蔽铝基复合材料对0.1MeV以上的快中子具备良好的慢化和屏蔽效果，且具有良好的耐热、耐辐照和结构力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种中子屏蔽铝基复合材料及其制备方法，属于核屏蔽材料技术领域。
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日益受到重视。高能量的快中子具有很强的穿透力，常用的屏蔽材料如硼钢和碳化硼复合材料虽然对热中子具备良好的屏蔽性能，但很难用于高能量快中子的屏蔽。对于快中子的屏蔽，需要首先通过轻元素(如水中的氢)等对快中子进行慢化，然后再通过中子吸收剂等对能量较低的慢中子进行屏蔽。但目前常用的屏蔽材料屏蔽效果较为单一，而且在某些性能，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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种对0.1MeV以上的快中子具备良好的慢化和屏蔽效果，并同时兼顾良好的耐热、耐辐照和结构力学性能的铝基复合材料。
本发明的另一目的在于提供一种所述铝基复合材料的制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种中子屏蔽铝基复合材料，该材料采用纯铝作为基体材料，屏蔽组分为金属氢化物和富10B单质或化合物；其中，金属氢化物的质量百分含量为20％～50％；富10B单质或化合物的质量百分含量为10％～20％；余量为铝和不可避免的杂质。
其中，所述金属氢化物为ZrH2、TiH2中的一种或两种；所述富10B单质或化合物为富10B粉、富10B的B4C粉中的一种或两种。
一种所述中子屏蔽铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)按铝基复合材料的成分配比称取原料粉末；
(2)在氩气保护条件下混料；
(3)将混合料进行冷等静压成型，得到冷等静压坯锭；
(4)将冷等静压坯锭装入铝包套，于300～450℃脱气后进行热等静压成型；
(5)去除铝包套，得到铝基复合材料。
其中，所述冷等静压压强为100～200MPa，保压时间为10～40min。
其中，所述热等静压温度为490～570℃，压强为70～120MPa，保压2～6小时。在此条件范围内能制备出致密度较高，具备一定结构力学性能的铝基复合材料。
本发明的有益效果为：
本发明的铝基复合材料采用纯铝作为基体材料，以金属氢化物和富10B单质或化合物为屏蔽组元，材料中所含的氢元素能够对0.1MeV以上的快中子进行慢化，中子能量降低后，材料中所含的10B元素即可对低能量的慢中子发挥良好的屏蔽效果。因此，材料中所含两种元素的高效组合、二者的含量良好匹配，对0.1MeV以上的快中子具备良好的屏蔽效果。并且，本发明的铝基复合材料还具有良好的耐热、耐辐照和结构力学性能，应用可靠性良好，对核屏蔽材料的丰富拓展具有重要的意义。
本发明采用等静压成型方法制备中子屏蔽铝基复合材料，成型后的材料中氢元素和10B元素含量较高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
本发明的中子屏蔽铝基复合材料的制备过程具体包括以下步骤：
(1)按屏蔽材料的成分配比称取原料粉末；
(2)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；
(3)采用冷等静压方法压制初坯，冷等静压过程中采用橡胶包套将液压介质(抗磨液压油)与粉体隔离，冷等静压压强为100～200MPa，保压时间为10～40min；
(4)将初坯修理成规则形状后采用纯铝薄板制备包套，将冷等静压初坯放入包套中；
(5)将包套后的坯料在300～450℃温度下进行除气，当包套内真空度达到5×10- 3Pa且真空度保持在此水平保温3小时后将包套封口；
(6)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70～120MPa，传压介质为氩气，保压2～6小时；
(7)去除铝包套，得到铝基复合材料。
实施例1
配置粉末，各称量铝粉1050g、ZrH2粉300g和富10B粉150g。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。混合后粉料装入冷等静压包套，采用冷等静压方法压制成初坯，压力为100MPa，保压10min。用纯铝焊接初坯包套，并在450℃进行除气、封装。然后将初坯包套进行热等静压，等静压温度为490℃，压力为100MPa，保压4小时，去除纯铝包套，得到铝基复合材料，材料的致密度达到理论致密度的99％以上。
实施例2
配置粉末，各称量铝粉600g、ZrH2粉750g和富10B粉150g。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。混合后粉料装入冷等静压包套，采用冷等静压方法压制成初坯，压力为200MPa，保压40min。用纯铝焊接初坯包套，并在300℃进行除气、封装。然后将初坯包套进行热等静压，等静压温度为520℃，压力为120MPa，保压2小时，去除纯铝包套，得到铝基复合材料，材料的致密度达到理论致密度的98％以上。
实施例3
配置粉末，各称量铝粉750g、ZrH2粉450g和富10B粉300g。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。混合后粉料装入冷等静压包套，采用冷等静压方法压制成初坯，压力为150MPa，保压30min。用纯铝焊接初坯包套，并在450℃进行除气、封装。然后将初坯包套进行热等静压，等静压温度为500℃，压力为120MPa，保压6小时，去除纯铝包套，得到铝基复合材料，材料的致密度达到理论致密度的98％以上。
实施例4
配置粉末，各称量铝粉900g、ZrH2粉450g和富10B的B4C粉150g。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。混合后粉料装入冷等静压包套，采用冷等静压方法压制成初坯，压力为200MPa，保压30min。用纯铝焊接初坯包套，并在490℃进行除气、封装。然后将初坯包套进行热等静压，等静压温度为570℃，压力为120MPa，保压4小时，去除纯铝包套，得到铝基复合材料，材料的致密度达到理论致密度的99％以上。
实施例5
配置粉末，各称量铝粉450g、ZrH2粉750g和富10B的B4C粉300g。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。混合后粉料装入冷等静压包套，采用冷等静压方法压制成初坯，压力为150MPa，保压30min。用纯铝焊接初坯包套，并在300℃进行除气、封装。然后将初坯包套进行热等静压，等静压温度为520℃，压力为120MPa，保压4小时，去除纯铝包套，得到铝基复合材料，材料的致密度达到理论致密度的97％以上。
实施例6
配置粉末，各称量铝粉1050g、TiH2粉300g和富10B的B4C粉150g。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。混合后粉料装入冷等静压包套，采用冷等静压方法压制成初坯，压力为200MPa，保压30min。用纯铝焊接初坯包套，并在300℃进行除气、封装。然后将初坯包套进行热等静压，等静压温度为540℃，压力为120MPa，保压4小时，去除纯铝包套，得到铝基复合材料，材料的致密度达到理论致密度的99％以上。
实施例7
配置粉末，各称量铝粉600g、TiH2粉750g和富10B的B4C粉150g。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。混合后粉料装入冷等静压包套，采用冷等静压方法压制成初坯，压力为200MPa，保压30min。用纯铝焊接初坯包套，并在350℃进行除气、封装。然后将初坯包套进行热等静压，等静压温度为520℃，压力为120MPa，保压4小时，去除纯铝包套，得到铝基复合材料，材料的致密度达到理论致密度的98％以上。
采用以上实施例制备成的中子屏蔽铝基复合材料，其15cm厚的铝基复合材料对0.1MeV以上快中子的屏蔽性能均能达到60％以上，材料的力学性能、耐热性能和机加工性能良好，可以通过车、铣等机加工方式加工成所需要的零件尺寸。
Claims (5)
1.一种中子屏蔽铝基复合材料，其特征在于，该材料采用纯铝作为基体材料，屏蔽组分为金属氢化物和富10B单质或化合物；其中，金属氢化物的质量百分含量为20％～50％；富10B单质或化合物的质量百分含量为10％～20％；余量为铝和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的中子屏蔽铝基复合材料，其特征在于，所述金属氢化物为ZrH2、TiH2中的一种或两种；所述富10B单质或化合物为富10B粉、富10B的B4C粉中的一种或两种。
3.一种权利要求1或2所述中子屏蔽铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按铝基复合材料的成分配比称取原料粉末；
(2)在氩气保护条件下混料；
(3)将混合料进行冷等静压成型，得到冷等静压坯锭；
(4)将冷等静压坯锭装入铝包套，于300～450℃脱气后进行热等静压成型；
(5)去除铝包套，得到铝基复合材料。
4.根据权利要求3所述的中子屏蔽铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述冷等静压压强为100～200MPa，保压时间为10～40min。
5.根据权利要求3所述的中子屏蔽铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述热等静压温度为490～570℃，压强为70～120MPa，保压2～6小时。
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Effective date of registration: 20190627 Address after: 101407 No. 11 Xingke East Street, Yanqi Economic Development Zone, Huairou District, Beijing Applicant after: YOUYAN ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Address before: No. 2, Xinjie street, Xicheng District, Beijing, Beijing Applicant before: General Research Institute for Nonferrous Metals |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190621 |