CN116080190A - 一种用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及复合材料制备的技术领域，具体涉及一种用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料及其制备方法，包括以下步骤：将多片清洁后的铝片依次叠放，并在相邻铝片之间铺覆碳化硼颗粒，得到板状叠层坯料；将板状叠层坯料在室温下进行轧制变形，每道次轧制后，将材料沿长度方向进行对折，然后进行下一道次轧制，重复以上过程直至碳化硼颗粒分散均匀，得到中间材料；将中间材料轧制成粗胚，将粗胚加热至一定温度后进行轧制，当累积厚度方向变形量为70％以上时，得到所述用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料。本发明的制备方法操作简单，能不需要使用分散剂制得用于抗中子辐照环境的高含量铝基复合材料，可以适用工业生产。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制备的技术领域，具体涉及一种用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
随着我国核电产业迅速发展，如何处置反应堆乏燃料问题逐渐受到人们关注，尤其是研究用于乏燃料的储运及中子源防护的材料。B4C吸收能谱宽，在高能中子范围内吸收截面高，是首选的中子吸收材料。
但是单一碳化硼材料具有明显的弱点：(1)碳化硼陶瓷的断裂韧性较低；(2)原子间以牢固的共价键(其含量高达93.9％)连接,材料很难烧结致密。传统用于乏燃料贮运的含硼材料包括硼钢、硼铝合金和含硼有机聚合物等。硼钢的结构强度相对较高，能满足贮运过程中的结构强度要求，但是硼在钢中的可溶度很低，且随着钢中硼含量的提高结构强度会迅速降低；硼铝合金中的硼在铝中的可溶度也很低，且硼会与铝在晶界上形成富硼区，增加了材料的脆性；含硼有机聚合物(如铅硼聚乙烯)具有良好的耐辐照性能、工程性能和尺寸稳定性能，但是高温稳定性相对较差。
传统用于乏燃料贮运的含硼中子吸收材料都存在上述明显的不足。为了得到兼具优良的中子屏蔽性能和良好的力学性能的结构功能材料，目前相关文献提出了碳化硼颗粒增强铝基复合材料(B4C/Al)，其具有质量轻、强度高、熔点高、导热性能好、热胀系数低、尺寸稳定性好、高温力学性能优异、中子吸收能力优良和污染较少等特点，是用于乏燃料的贮运、中子源的防护等方面的理想中子吸收材料。B4C/Al复合材料不仅具有良好的中子屏蔽性能，而且比强度高和热稳定性好，是一种可用于乏燃料的储运及中子源防护的先进结构功能材料，是国内制造业亟需的关键材料。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料的制备方法，无污染，成本低，效率高。
本发明的目的之二在于提供一种用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料，具有较高的强度和硬度。
本发明实现目的之一所采用的方案是：一种用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将多片清洁后的铝片依次叠放，并在相邻铝片之间铺覆碳化硼颗粒，得到铝片-碳化硼颗粒-铝片-碳化硼颗粒循环的板状叠层坯料，最外层表面为无碳化硼颗粒面；
(2)将步骤(1)中得到的板状叠层坯料在室温下进行轧制变形，每道次轧制后，将材料沿长度方向进行对折，然后进行下一道次轧制，重复以上过程直至碳化硼颗粒分散均匀，得到中间材料；
(3)将步骤(2)中得到的中间材料轧制成粗胚，将粗胚加热至一定温度后进行轧制，当累积厚度方向变形量为70％以上时，得到所述用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料。
优选地，所述步骤(1)中，碳化硼颗粒占复合材料的质量分数为30％-40％。
优选地，所述步骤(1)中，碳化硼颗粒的粒径为1～20微米。
优选地，所述步骤(2)中，每道次包含2-3此轧制，每道次轧制后累积厚度方向变形量为50％-60％。
优选地，所述步骤(2)中，重复对折轧制道次为30～50道次。
优选地，所述步骤(3)中，将中间材料均匀放置于铜管中并用液压机轧制成粗胚，所述铜管内壁包覆隔绝材料。
优选地，所述步骤(3)中，将粗胚加热至500-600℃并保温5～30分钟后进行轧制。
优选地，所述步骤(3)中，累积轧制3-4次以上，累积厚度方向变形量为70％-80％以上。
优选地，所述步骤(3)中，制备的铝基复合材料可用于抗中子辐照领域，硬度高达154.2～174.5Hv，抗拉强度高达350.0～460.3MPa。
本发明实现目的之二所采用的方案是：一种用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料，采用所述的制备方法制得。
本发明的原理如下：B4C/Al复合材料在B4C质量分数大于或等于30％时具备较好的中子吸收性能。对于采用累积叠轧制备的铝基复合材料，随着ARB次数的提高，较硬的增强体层会在轧制过程中发生断裂、分离，厚度会逐渐减小，直至均匀分散至基体中，而基体会相互接触、结合，最终形成复合材料。将微米碳化硼颗粒夹在多层铝片中间进行30～50道次室温轧制，在剧烈的塑性变形作用下，碳化硼颗粒逐渐破碎并均匀分散。高温轧制将复合材料制备成完整的块体，提高致密度并降低缺陷。本发明所需设备为激光清洗机、工业轧机、马沸炉和液压机，通过一定道次的室温轧制和高温轧制，所制得的复合材料中碳化硼颗粒分散均匀，致密度良好，具有优良的强度和硬度。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明的制备方法操作简单，所需设备仅为激光清洗机、工业轧机、马沸炉和液压机，通过一定道次的室温轧制和高温轧制变形制得复合材料，可以适用工业生产。
2.本发明的制备方法能不需要使用分散剂制得用于抗中子辐照环境的高含量铝基复合材料。
3.本发明制备的铝基复合材料中微米颗粒的分散很均匀，致密度良好，利于性能强化。
4.本发明制备的碳化硼颗粒增强铝基复合材料具有较高的强度和硬度。
附图说明
图1为本发明实施例1中得到的30％质量分数碳化硼颗粒增强铝基复合材料的扫描电镜照片，其中图1(a)为低倍扫描电镜图，图1(b)为高倍扫描电镜图；
图2为本发明实施例2中得到的35％质量分数碳化硼颗粒增强铝基复合材料的光学显微镜照片；
图3为本发明实施例3中得到的40％质量分数碳化硼颗粒增强铝基复合材料的光学显微镜照片；
图4为本发明实施例4中得到的30％质量分数碳化硼颗粒增强铝基复合材料的光学显微镜照片。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
本实施例中制备的复合材料以纯铝为基体，质量分数为30％的B4C为增强体，其中B4C颗粒的粒径为2μm，室温轧制30道次，高温轧制4道次且每道次保温5min。
(1)预处理：通过激光清洗对纯铝片进行表面处理，去除铝片表面的杂质，并均匀切割(4片，20mm*5mm*0.25mm)备用；根据铝片质量称取30％质量分数的碳化硼颗粒，并将其均匀铺覆在铝片一侧表面；
(2)室温轧制：将铝片交替叠放并使最外表面为无碳化硼面，得到板状叠层坯料；将板状叠层坯料在室温下进行轧制变形，每道次包含2～3次轧制，通过2～3次的轧制使样品在厚度方向上的累积变形量优选在50％～60％之间。每道次轧制后，将材料沿长度方向进行对折，然后进行下一道次轧制。重复以上过程直至碳化硼颗粒分散均匀，总轧制道次为30次，得到中间材料；
(3)高温轧制：将步骤(2)中得到的中间材料均匀放置于铜管中并用液压机轧制成粗胚。将粗胚放入600℃的加热炉中加热并保温，每保温5min后进行轧制，累积轧制4次，累积厚度方向变形量为75％，得到最终复合材料。
本实施例制备的铝基复合材料的扫描电镜图如图1所示，其中图1(a)为低倍扫描电镜图，图1(b)为高倍扫描电镜图，从图中可以看出：增强体颗粒分散均匀，结合致密，无明显孔洞、裂纹等缺陷。
本实施例中的方法制备的复合材料抗拉强度高达460.3MPa，硬度为154.2HV，具有高强高磨的优异力学性能。
实施例2
本实施例中制备的复合材料以纯铝为基体，质量分数为35％的B4C为增强体，其中B4C颗粒的粒径为2μm，室温轧制30道次，高温轧制4道次且每道次保温20min。
(1)预处理：通过激光清洗对纯铝片进行表面处理，去除铝片表面的杂质，并均匀切割(4片，20mm*5mm*0.25mm)备用；根据铝片质量称取35％质量分数的碳化硼颗粒，并将其均匀铺覆在铝片一侧表面；
(2)室温轧制：将铝片交替叠放并使最外表面为无碳化硼面，得到板状叠层坯料；将板状叠层坯料在室温下进行轧制变形，每道次包含2～3次轧制，通过2～3次的轧制使样品在厚度方向上的累积变形量优选在50％～60％之间。每道次轧制后，将材料进行对折，然后进行下一道次轧制。重复以上过程直至碳化硼颗粒分散均匀，总轧制道次为30次，得到中间材料；
(3)高温轧制：将步骤(2)中得到的中间材料均匀放置于铜管中并用液压机轧制成粗胚。将粗胚放入500℃的加热炉中加热并保温，每保温20min后进行轧制，累积轧制4次，累积厚度方向变形量为75％，得到最终复合材料。
本实施例制备的铝基复合材料的光学显微镜照片如图2所示，从图中可以看出：增强体颗粒分散均匀，结合致密，无明显孔洞、裂纹等缺陷。
本实施例中的方法制备的复合材料抗拉强度高达396.5MPa，硬度为159.4HV，具有高强高磨的优异力学性能。
实施例3
本实施例中制备的复合材料以纯铝为基体，质量分数为40％的B4C为增强体，其中B4C颗粒的粒径为2μm，室温轧制30道次，高温轧制4道次且每道次保温30min。
(1)预处理：通过激光清洗对纯铝片进行表面处理，去除铝片表面的杂质，并均匀切割(4片，20mm*5mm*0.25mm)备用；根据铝片质量称取40％质量分数的碳化硼颗粒，并将其均匀铺覆在铝片一侧表面；
(2)室温轧制：将铝片交替叠放并使最外表面为无碳化硼面，得到板状叠层坯料；将板状叠层坯料在室温下进行轧制变形，每道次包含2～3次轧制，通过2～3次的轧制使样品在厚度方向上的累积变形量优选在50％～60％之间。每道次轧制后，将材料进行对折，然后进行下一道次轧制。重复以上过程直至碳化硼颗粒分散均匀，总轧制道次为30次，得到中间材料；
(3)高温轧制：将步骤(2)中得到的中间材料均匀放置于铜管中并用液压机轧制成粗胚。将粗胚放入600℃的加热炉中加热并保温，每保温30min后进行轧制，累积轧制4次，累积厚度方向变形量为75％，得到最终复合材料。
本实施例制备的铝基复合材料的光学显微镜照片如图3所示，从图中可以看出：增强体颗粒分散均匀，结合致密，无明显孔洞、裂纹等缺陷。
本实施例中的方法制备的复合材料抗拉强度高达357.5MPa，硬度为174.3HV，具有高强高磨的优异力学性能。
实施例4
本实施例中制备的复合材料以纯铝为基体，质量分数为30％的B4C为增强体，其中B4C颗粒的粒径为20μm，室温轧制30道次，高温轧制4道次且每道次保温20min。
(1)预处理：通过激光清洗对纯铝片进行表面处理，去除铝片表面的杂质，并均匀切割(4片，20mm*5mm*0.25mm)备用；根据铝片质量称取30％质量分数的碳化硼颗粒，并将其均匀铺覆在铝片一侧表面；
(2)室温轧制：将铝片交替叠放并使最外表面为无碳化硼面，得到板状叠层坯料；将板状叠层坯料在室温下进行轧制变形，每道次包含2～3次轧制，通过2～3次的轧制使样品在厚度方向上的累积变形量优选在50％～60％之间。每道次轧制后，将材料进行对折，然后进行下一道次轧制。重复以上过程直至碳化硼颗粒分散均匀，总轧制道次为30次，得到中间材料；
(3)高温轧制：将步骤(2)中得到的中间材料均匀放置于铜管中并用液压机轧制成粗胚。将粗胚放入600℃的加热炉中加热并保温，每保温20min后进行轧制，累积轧制4次，累积厚度方向变形量为75％，得到最终复合材料。
本实施例制备的铝基复合材料的光学显微镜照片如图4所示，从图中可以看出：增强体颗粒分散均匀，结合致密，无明显孔洞、裂纹等缺陷。
本实施例中的方法制备的复合材料抗拉强度高达350MPa，硬度为174.5HV，具有高强高磨的优异力学性能。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将多片清洁后的铝片依次叠放，并在相邻铝片之间铺覆碳化硼颗粒，得到铝片-碳化硼颗粒-铝片-碳化硼颗粒循环的板状叠层坯料，最外层表面为无碳化硼颗粒面；
(2)将步骤(1)中得到的板状叠层坯料在室温下进行轧制变形，每道次轧制后，将材料沿长度方向进行对折，然后进行下一道次轧制，重复以上过程直至碳化硼颗粒分散均匀，得到中间材料；
(3)将步骤(2)中得到的中间材料轧制成粗胚，将粗胚加热至一定温度后进行轧制，当累积厚度方向变形量为70％以上时，得到所述用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，碳化硼颗粒占复合材料的质量分数为30％-40％。
3.根据权利要求1所述的用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，碳化硼颗粒的粒径为1～20微米。
4.根据权利要求1所述的用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，每道次包含2-3此轧制，每道次轧制后累积厚度方向变形量为50％-60％。
5.根据权利要求1所述的用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，重复对折轧制道次为30～50道次。
6.根据权利要求1所述的用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，将中间材料均匀放置于铜管中并用液压机轧制成粗胚，所述铜管内壁包覆隔绝材料。
7.根据权利要求1所述的用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，将粗胚加热至500-600℃并保温5～30分钟后进行轧制。
8.根据权利要求1所述的用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，累积轧制3-4次以上，累积厚度方向变形量为70％-80％以上。
9.根据权利要求1所述的用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中，制备的铝基复合材料可用于抗中子辐照领域，硬度高达154.2～174.5Hv，抗拉强度高达350.0～460.3MPa。
10.一种用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料，其特征在于：采用权利要求1-9中任一项所述的制备方法制得。
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| CN202211492527.1A CN116080190A (zh) | 2022-11-25 | 2022-11-25 | 一种用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料及其制备方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211492527.1A CN116080190A (zh) | 2022-11-25 | 2022-11-25 | 一种用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料及其制备方法 |
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| CN116080190A true CN116080190A (zh) | 2023-05-09 |
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Family Applications (1)
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| CN202211492527.1A Pending CN116080190A (zh) | 2022-11-25 | 2022-11-25 | 一种用于抗中子辐照环境的高强高磨铝基复合材料及其制备方法 |
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101090788A (zh) * | 2004-12-28 | 2007-12-19 | 日本轻金属株式会社 | 铝复合材料的制造方法 |
| US20150104666A1 (en) * | 2012-08-31 | 2015-04-16 | Nikkeikin Aluminum Core Technology Co., Ltd. | Metal-based composite material and method for producing same |
| CN110373564A (zh) * | 2019-06-28 | 2019-10-25 | 昆明理工大学 | 一种碳化硼改性超细晶/纳米结构金属基复合材料的制备方法 |
| CN111593218A (zh) * | 2020-05-12 | 2020-08-28 | 大连理工大学 | 一种微纳米颗粒增强铝基复合材料及其制备方法 |
| CN113088840A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-07-09 | 武汉大学 | 一种铝合金的制备方法 |
-
2022
- 2022-11-25 CN CN202211492527.1A patent/CN116080190A/zh active Pending
Patent Citations (5)
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