CN113481503A - 一种硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法、复合材料及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法、复合材料及其应用，涉及新材料领域，其方法包括采用共振球磨法制备混合均匀的硼‑金属微米粉末，再利用超音速低压冷喷涂方法在金属基底上以增材制造的方式喷涂复合涂层制成复合材料。本发明的制备方法简单易操作，成本低，增材制造的方式可以制成各种异形构件；用此种方法制备的复合材料硼‑金属晶相分布均匀，强度高，硼元素含量高，可以应用于乏燃料贮存等各种核防护场合。
Description
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法、复合材料及其应用。
背景技术
随着全球人口不断增长和社会日益繁荣，人类对能源的需求越来越大，而煤炭、石油、天然气等化石能源正在日益枯竭，人类所面临的能源紧缺问题越来越严峻。诸如风能、太阳能、地热能等新型能源具有环境友好型和可再生等优点，但是其开发技术难度大，发展受到地理环境因素影响很大，不能得到广泛普及和应用。核能作为新型、高效和可持续利用的能量，受到越来越多的关注。核反应堆运行一段时间后，为了保证反应堆能高效释放能量，必须卸出乏燃料，乏燃料具有极强的放射性，伴有一定的中子发射率并释放热量。随着技术的成熟和完善，核电站开始在我国不断普及，而随之而来的乏燃料贮存问题将会日益突出，至2020年，我国每年卸下的乏燃料达到了千吨以上，因此，开发一种乏燃料贮存的高性能屏蔽材料就显得十分有必要。此外，航天技术的发展也要求性能良好的屏蔽材料来保障宇航员在太空中的活动，核弹头等军工产品的防护也对屏蔽材料提出了越来越高的要求；还有在放射医疗、食品加工等领域，都迫切需要开发新型高效的屏蔽材料来保障人们的生命健康。因此，开发一种结构性能优异，具有良好中子屏蔽效果的材料，是十分有必要的。
硼元素作为第五号元素，其同位素10B具有优异的热中子吸收性能，硼及硼化物的复合材料越来越多地被应用于中子屏蔽和核防护领域，利用硼粉或者碳化硼粉末冶金制成板材再轧制成材是目前最常见的应用方式。然而，这种方式制备出的硼复合材料都存在结构简单，不能应用于较为复杂构件表面，并且具有硼元素含量低等缺点；当加入较多硼或者碳化硼粉末时，材料有容易出现内部裂纹或者脆性断裂等现象，实用性较差。
发明内容
本发明目的在于提供一种硼颗粒增强铝基复合材料的制备方法，该制备方法由于采用增材制造方法，可以制成各种异形构件，复合材料中硼元素含量和均匀性提升，复合材料具有优异的中子吸收性能，应用时中子屏蔽效果显著提高。
为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法，包括：
采用共振球磨法制备混合均匀的硼-金属微米粉末；
采用超音速低压冷喷涂法在金属基底上以增材制造的方式喷涂硼-金属微米粉末形成复合涂层，制得硼颗粒增强金属基复合材料。
进一步的，所述共振球磨法的设备工作条件为：共振磨球选择第一直径的氧化锆小球和第二直径的氧化锆小球两种，第一直径小于第二直径，并且第一直径的氧化锆小球和第二直径的氧化锆小球在共振腔中放置的质量比为4:1；所述共振球磨法的共振球磨时间为4～8h。
进一步的，所述超音速低压冷喷涂法设备工作条件为：喷涂温度为500℃，喷涂时间为1～5min，优选为1min。
进一步的，所述复合涂层中硼元素质量分数为33％～35％，硼元素原子数分数为50％～54％。
进一步的，所述第一直径为4mm，第二直径为6mm，所述共振球磨时间为6h。
进一步的，所述金属基底为金属板或金属管基底，金属为铜、铝或银。
本发明的目的之二在于公开一种硼颗粒增强金属基复合材料，该复合材料由上述的制备方法制得。
本发明的目的之三在于公开一种上述硼颗粒增强金属基复合材料在中子防护中的应用。
本发明的目的之四在于公开一种中子屏蔽材料，该中子屏蔽材料采用上述硼颗粒增强金属基复合材料。
由以上技术方案可知，本发明公开的硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法、复合材料及其应用的技术方案，获得了如下有益效果：
(1)本发明通过冷喷涂增材制造的方法制备硼颗粒增强铜基复合材料，与普通粉末冶金和轧制后的硼复合材料相比，本方法制备的硼颗粒增强铜基复合材料有效增加了材料中硼元素含量和均匀性，从而具有更优异的中子吸收性能，提高了中子屏蔽效果。与轧制板材结构单一相比，本方法制备的硼颗粒增强铜基复合材料由于利用增材制造的原理，由于采用增材制造方法，可以制成各种异形构件，能应用于多种核防护场合。
(2)本发明的制备方法操作过程简单，生产成本较低，喷涂的复合涂层厚度可调，易于推广，大大促进了硼复合材料在中子防护领域的应用。
(3)本发明制备的硼颗粒增强金属基复合材料有效增加了材料中硼元素含量和均匀性，复合涂层中硼元素质量分数达到33％～35％，从而具有更优异的中子吸收性能，提高了中子屏蔽效果；并且复合材料中硼-金属晶相分布均匀，强度高，可以应用于乏燃料贮存等各种核防护场景。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1为实施例1中制得的硼颗粒增强铝基复合材料中硼元素分布图；
图2为实施例2中制得的硼颗粒增强铝基复合材料的扫描电镜图；
图3为实施例3中制得的硼颗粒增强铜基复合材料扫描电镜图；
图4为实施例3中制得的硼颗粒增强铜基复合材料中硼元素分布能谱图。
图5为实施例4中制得的硼颗粒增强铜基复合材料的扫描电镜图；
图6为实施例4中制得的硼颗粒增强铜基复合材料中硼元素能谱。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一个”“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件，并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
基于现有技术中的硼复合材料都存在结构简单，不能应用于较为复杂构件表面以及硼元素含量低等缺点，并且加入较多硼或者碳化硼粉末时，材料易出现内部裂纹或者脆性断裂等现象，实用性较差。为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种硼颗粒增强的金属基复合材料的制备方法、复合材料及其应用，先制得混合均匀的硼-金属微米粉末，再在金属基底上以增材制造的方式喷涂复合涂层制成复合材料，该复合材料中硼-金属晶相分布均匀，强度高，硼元素含量高，中子屏蔽效果好。
下面结合附图所示的实施例，对本发明的硼颗粒增强的金属基复合材料的制备方法、复合材料及其应用作进一步具体介绍。
本发明公开的硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法，先采用共振球磨法制备混合均匀的硼-金属微米粉末，再采用超音速低压冷喷涂法在金属基底上以增材制造的方式喷涂硼-金属微米粉末形成复合涂层，制得硼颗粒增强金属基复合材料；具体的，金属基可选择金属板或金属管，金属可选用铜、铝或银。
共振球磨法制备硼-金属微米粉末的设备工作条件为：选择第一直径和第二直径的两种氧化锆小球作为磨球研磨4～8h，其中，第一直径小于第二直径，并且第一直径的氧化锆小球和第二直径的氧化锆小球在共振腔中放置的质量比为4:1。超音速低压冷喷涂法在金属基底上获得复合涂层的设备工作条件为：硼-金属微米粉末在500℃的喷涂温度下，喷涂1～5min。通过控制混合粉末的配比和加入量，以及喷涂温度，经过上述步骤从而制备出了硼颗粒增强金属基复合涂层，该涂层利用增材制造的原理制件，由于采用增材制造方法，可以制成各种异形构件，因此能应用于多种核防护场合。具体实施时，磨球也可以选择不锈钢等高硬度不易破碎的材质制成的磨球；本申请不限于上述公开的磨球原料、尺寸及配合比例，能达到硼-金属微米粉末研磨并均匀混合的技术效果的其他比例及尺寸的磨球也可以在本申请中应用，该比例的配合使用也应该在本申请的公开范围内。
本发明的硼颗粒增强金属基复合材料为经由上述公开的硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法制得的。基于硼其同位素具有的优异热中子吸收性能，因此本发明进一步公开了上述制得的硼颗粒增强金属基复合材料在中子防护中的应用，以及公开一种中子屏蔽材料，该中子屏蔽材料采用上述的硼颗粒增强金属基复合材料，例如采用上述的硼颗粒增强金属基复合材料作为其组成部分，或直接由上述材料制成的特殊结构。
下述实施例中采用的原料为无定型元素硼粉、微米铝粉、微米铜粉、光滑铝基底和光滑铜基底，实施过程采用的设备包括用于初步混合的烧杯、共振球磨机、磨料氧化锆小球和超音速低压冷喷涂设备等。
实施例1
本实施例公开一种硼颗粒增强铝基复合材料的制备方法，步骤如下：
先取无定型元素硼粉5.5克与微米铝粉13.5克混合，初步搅拌均匀；
将混合后的粉末和第一直径4mm的氧化锆小球800克、第二直径6mm氧化锆小球200克共同放入共振球磨机磨腔里面，，共振球磨6h得到充分混合均匀的硼-铝微米粉末；
将硼-铝微米粉末置于超音速低压冷喷涂设备原料腔内，在500℃的加热条件下，在光滑铝板上喷涂1min，制得硼颗粒增强铝基复合材料。
实施例2
本实施例公开一种硼颗粒增强铝基复合材料的制备方法，步骤如下：
首先称取5.5克无定型元素硼粉和13.5克微米铝粉混合，初步搅拌均匀；
然后将混合后的粉末与200克第二直径6mm氧化锆小球以及800克第一直径4mm氧化锆小球共同加入共振球磨腔内，共振球磨6小时，得到充分混合后的硼-铝微米粉末；
将制得的硼-铝微米粉末置于超音速低压冷喷涂设备的原料腔内，在500℃的加热条件下，在缓慢旋转的光滑铝管表面喷涂1分钟，制成硼颗粒增强铝基复合材料。
对实施例1制得的复合材料进行能谱分析，测试硼元素分布，结果如图1所示；结果表明，实施例1制得的硼颗粒增强铝基复合材料，其复合涂层中硼元素质量分数为33％～35％，硼元素原子数分数为50％～54％；与现存商业用硼复合材料相比，硼元素含量高，中子屏蔽效果更好。采用扫描电子显微镜测试实施例2制得的复合材料的表面形貌，测试结果如图2所示，图示中复合涂层无裂纹等明显的缺陷，并且涂层内部硼粉整体分布均匀，涂层具有均匀稳定的特性；能在圆周等各种异形结构表面成型，与传统商业用硼复合材料相比，此种硼增强铝基复合材料能够应用于各种复杂结构构件，极大拓宽了硼复合材料在中子屏蔽领域的应用。
上述实施例的另一种典型实施方式，即提供一种由上述制备方法制备的硼颗粒增强铝基复合材料，上述方法选用的铝基底可以是铝板或铝管，表明制备的复合材料可以应用于各种异形构件中，以达到在各种复杂场合使用的目的。该典型实施方式中，硼颗粒增强铝基复合材料还可以在中子防护中的应用，并且可作为一种原料制成中子屏蔽材料。
实施例3
本实施例公开一种硼颗粒增强铜基复合材料的制备方法，步骤如下：
首先称取11克无定型元素硼粉和32克微米铜粉混合，初步搅拌均匀；
然后将混合后的粉末与200克第二直径6mm氧化锆小球以及800克第一直径4mm氧化锆小球共同加入共振球磨腔内，共振球磨6小时，得到充分混合后的硼-铜微米粉末；
将制得的硼-铜微米粉末置于超音速低压冷喷涂设备的原料腔内，在500℃的加热条件下，在光滑铜板上喷涂1分钟，制成硼颗粒增强铜基复合材料。
分别采用扫描电子显微镜和能谱仪对实施例3制得的硼颗粒增强铜基复合材料进行形貌测试和元素分析，如图3和图4所示，硼元素在硼颗粒增强铜基复合材料中的质量分数为33％～35％，硼元素原子数分数为50％～54％。与现存商业用硼复合材料相比，硼元素含量高，中子屏蔽效果更好。
实施例4
本实施例公开一种硼颗粒增强铜基复合材料的制备方法，步骤如下：
首先称取11克无定型元素硼粉和32克微米铜粉混合，充分搅拌均匀；
然后将混合后的粉末与200克第二直径6mm氧化锆小球以及800克第一直径4mm氧化锆小球共同加入共振球磨腔内，共振球磨6小时，得到充分混合后的硼-铜微米粉末；
将制得的硼-铜微米粉末置于超音速低压冷喷涂设备的原料腔内，在500℃的加热条件下，在缓慢旋转的光滑铜管表面喷涂1分钟，制成硼颗粒增强铜基复合材料。
分别采用扫描电子显微镜和能谱仪对实施例4制得的硼颗粒增强铜基复合材料进行形貌测试和元素分析，如图5和图6所示，结果表明，实施例4制得的硼颗粒增强铜基复合材料中硼元素质量分数33％～35％；实施例4表明该复合材料可在铜管表面制备；表明了本发明公开的硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法可以应用于各种异形构件中，以达到在各种复杂场合使用的目的，极大拓宽了硼复合材料在中子屏蔽领域的应用。在图3至图5所示的显微结构上，可以准确了解复合涂层的结合，涂层整体无裂纹、无龟裂等明显的缺陷，并且图4所示在涂层内部硼粉整体分布均匀，不存在硼粉分布密集区域，因此具有均匀稳定的屏蔽特性、不容易发生脆断。
实施例3和实施例4的另一种典型实施方式，即提供一种由上述制备过程制备的硼颗粒增强铜基复合材料，上述方法选用的铜基底可以是铜板或铜管；该典型实施方式中，硼颗粒增强铜基复合材料还可以在中子防护中的应用，并且可作为一种原料制成中子屏蔽材料。具体的，通过控制混合均匀的硼-铜微米粉末的配比和加入量，以及喷涂温度，经过上述步骤从而制备出了硼颗粒增强铜基复合材料涂层，该涂层利用增材制造的原理，由于采用增材制造方法，可以制成各种异形构件，再应用于多种核防护场合。
上述实施例中基于无定型元素硼粉和微米铜粉或微米铝粉的配置比例，是的复合涂层中硼元素的质量分数为33％～35％，硼元素原子数分数为50％～54％；该数据源于设定的复合材料中对硼元素的要求而来；因此，为了满足实际生产和中子防护的应用要求，需要根据实际确定的复合材料中的硼元素的比例再确定向共振腔中添加无定型元素硼粉和微米金属粉的比例。本申请上述实施例1至实施例4仅是作为举例说明，列出的一种复合材料中硼元素含量的情况；本申请不限于上述硼元素含量的硼颗粒增强金属基复合材料，其公开还应该包括其他硼元素含量的硼颗粒增强金属基复合材料、该材料在中子防护上的应用，以及采用该复合材料的中子屏蔽材料。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.一种硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括：
采用共振球磨法制备混合均匀的硼-金属微米粉末；
采用超音速低压冷喷涂法在金属基底上以增材制造的方式喷涂硼-金属微米粉末形成复合涂层，制得硼颗粒增强金属基复合材料。
2.根据权利要求1所述的硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述共振球磨法的设备工作条件为：共振磨球选择第一直径的氧化锆小球和第二直径的氧化锆小球两种，第一直径小于第二直径，并且第一直径的氧化锆小球和第二直径的氧化锆小球在共振腔中放置的质量比为4:1；所述共振球磨法的共振球磨时间为4～8h。
3.根据权利要求1所述的硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述超音速低压冷喷涂法设备工作条件为：喷涂温度为500℃，喷涂时间为1～5min。
4.根据权利要求1所述的硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述复合涂层中硼元素质量分数为33％～35％，硼元素原子数分数为50％～54％。
5.根据权利要求2所述的硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述第一直径为4mm，第二直径为6mm，所述共振球磨时间为6h。
6.根据权利要求1所述的硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属基底为金属板或金属管基底。
7.根据权利要求6所述的硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属为铜、铝或银。
8.一种硼颗粒增强金属基复合材料，其特征在于，所述复合材料由权利要求1至7任一项所述的制备方法制得。
9.一种根据权利要求8中所述的硼颗粒增强金属基复合材料在中子防护中的应用。
10.一种中子屏蔽材料，其特征在于，所述中子屏蔽材料采用权利要求8所述的硼颗粒增强金属基复合材料。
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