CN116516200A - 一种屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料及其制备方法；所述的铝基碳化硼复合材料包括碳化硼颗粒、石墨化纳米碳、铝基体组成；本发明通过碳化硼颗粒屏蔽中子，通过石墨化纳米碳吸收或汇集氦泡，避免中子吸收后在铝基体中产生大量弥散或汇集长大的氦气泡，提高材料的屏蔽中子、抗辐照损伤以及力学等综合性能。所述的制备方法采用粉末冶金技术流程，既适用于碳化硼颗粒高体积含量铝基复合材料实现近净成形制备，也适用于中低体积含量铝基复合材料宽幅中厚板材等大规格构件产品成形加工，可用于地面乏燃料存储运输、航天器核动力飞行器等中子屏蔽应用场景。
Description
技术领域
本发明属于中子吸收材料与铝基复合材料技术领域，提供了一种屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料及制备方法。
背景技术
碳化硼(B4C)具有低密度、高的比强度和比模量、良好的抗热震性能，同时具有优异的中子吸收能力。因此，中高体积分数B4C与Al复合获得的铝基碳化硼复合材料是良好的轻质结构功能一体化复合材料，尤其在中子吸收方面更具优势和应用价值。
B4C之所以具有良好的热中子吸收能力，主要是源于同位素10B超高的中子吸收截面(3837Barn)，而且具有中子俘获能谱宽、衰变后无放射同位素产生、二次辐射能量低、耐高温等特点。10B俘获中子发生如下反应：
10B+n＝Li+He+2.78Mv
然而，B4C用于反应堆的控制元件或核屏蔽材料中，俘获中子后释放的He会在块体材料中以氦气泡的形式存在，易于聚集并长大，会造成材料的肿胀，影响器件的中子屏蔽效果和机械性能，影响服役寿命。
专利文献CN 106947888 A公开高能射线屏蔽复合材料及其制备方法；所述高能射线屏蔽复合材料及其制备方法，采用微米级粉末，容易购买，价格低廉；采用热等静成形与烧结同时进行，工序简单，材质均匀，材料致密度高，相对密度达到99.8％以上。然而，高能射线屏蔽复合材料虽然同时具有屏蔽x、γ射线及中子双重效果，但其并不能控制10B俘获中子发生反应后产生He泡的聚集或长大行为，严重威胁了屏蔽复合材料的可靠性和使用寿命。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料及其制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料，所述铝基碳化硼复材料按体积分数计，包括：
碳化硼颗粒 5～50％
石墨化纳米碳 0.05～5％
余量为铝基粉末。
优选的，所述铝基碳化硼复材料按体积分数计，包括：
碳化硼颗粒 25～35％
石墨化纳米碳 0.5～2％
余量为铝基粉末。
所述屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料的制备方法包括以下步骤：
1)将石墨化纳米碳与铝基粉末均匀分散复合，制备成石墨化纳米碳/铝复合粉末；
2)将石墨化纳米碳/铝复合粉末与碳化硼颗粒均匀分散复合，制备碳化硼-石墨化纳米碳/铝混合粉末；
3)将碳化硼-石墨化纳米碳/铝混合粉末压坯、烧结、变形加工，获得所述铝基碳化硼复合材料。
所述的石墨化纳米碳包括石墨化碳纳米管、石墨烯纳米片、石墨化纳米碳纤维、石墨化巴基球、石墨化碳胶囊、石墨化中空微球中的至少一种，其特征尺寸为1～500nm。优选的特征尺寸为10～50nm。
所述的碳化硼颗粒粒径范围为1～500μm。优选的粒径范围为10～40μm。
中子吸收本质上依靠的是B元素中的B10同位素，B元素含量越高吸收效果越好。但对铝基复合材料而言，含量高了就容易产生B4C颗粒聚集而难以烧结在一起形成致密的块体材料。
铝基体包括纯铝、1系铝合金、2系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金中的一种或几种。优选的铝基体为5系或6系铝合金。
步骤1)中，所述石墨化纳米碳与铝基粉末均匀分散复合是通过高速机械融合、变速球磨、机械球磨、料浆辅助复合或原位生长纳米碳进行分散复合；
步骤2)中，所述石墨化纳米碳/铝复合粉末与碳化硼颗粒均匀分散复合采用机械混合、机械球磨、高速搅拌混合或气流混合方法。
所述碳化硼-石墨化纳米碳/铝混合粉末压坯采用模压、冷等静压或粉末包套方法。
步骤3)中烧结采用真空烧结、气氛保护烧结、热压烧结或热等静压烧结；烧结温度范围500～650℃、保温时间0.1～10h。
步骤3)中，所述变形加工，采用挤压、轧制、锻造、环锻或旋压方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明中，碳化硼颗粒用于屏蔽中子，进一步通过石墨化纳米碳吸收或汇集氦泡，石墨化纳米碳形态更稳定，孔结构或碳层界面丰富，用于吸收或汇集产生的氦泡，避免中子吸收后在铝基体中产生大量弥散或汇集长大的氦气泡，提高材料的屏蔽中子、抗辐照损伤以及力学等综合性能。本发明保证中子吸收屏蔽效果以外，还能控制或延缓中子辐照带来的损伤，吸收中子后产生的He泡更细小、弥散，难以长大大泡，保证材料性能退化更慢。
(2)本发明进一步研究中发现，只有纳米尺寸的石墨化纳米碳才能在金属基体里分散更弥散、更均匀。在较低含量时，只有尺寸足够小，纳米碳才可能在任意金属基体位置实现均匀分散，从而吸收或控制碳化硼吸收中子后的必然产物He泡。如果尺寸稍大，数量不足，He离子尺寸非常微小，可在金属里扩散、聚集长大，就会导致金属基体产生大量大泡而损伤(失去金属本身的力学强度)。
(3)碳纳米材料的复合，提高了材料的力学性能，有利于材料轻量化设计。
(4)所述的制备方法采用粉末冶金技术方法，既适用于碳化硼颗粒中高体积含量(35～55vol.％)铝基复合材料实现近净成形制备，也适用于中低体积含量(15～35vol.％)铝基复合材料宽幅中厚板材等大规格构件产品成形加工，可用于地面乏燃料存储运输、航天器核动力飞行器等中子屏蔽应用场景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
图1所示为本发明一种屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料结构示意图。
实施例1
本实施例提供了一种屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料，由31.7Vol.％碳化硼颗粒、1.5Vol.％石墨化碳纳米管及纯铝基体组成的复合材料。碳化硼颗粒规格为w10；石墨化碳纳米管平均直径为20nm(直径范围10～30nm)，平均长度为5μm(长度范围2～10μm)；基体为纯度为99.9％的30μm纯铝粉末。
所述屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料制备方法包括以下步骤：
步骤1)将10g石墨化碳纳米管与690g铝粉共球磨，100转/分钟，球磨时间4小时，制备石墨化碳纳米管/铝复合粉末；
步骤2)将300g碳化硼颗粒加入到石墨化碳纳米管/铝复合粉末中，先低速100转/分钟共混3小时，后高速200转/分钟共球磨2小时，制备得碳化硼-石墨化碳纳米管/铝混合粉末；
步骤3)将1kg碳化硼-石墨化碳纳米管/铝混合粉末在180吨压力下压成直径为80mm的锭坯、在580℃烧结3小时致密化、挤压成50mm×10mm的板材，获得致密的碳化硼-石墨化碳纳米管/铝复合材料。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于未添加石墨化碳纳米管，本对比例的铝基碳化硼复合材料是由31.7Vol.％碳化硼颗粒及纯铝基体组成的复合材料。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于石墨化碳纳米管替换为普通碳纳米管，本对比例的铝基碳化硼复合材料，由碳化硼颗粒、普通碳纳米管及纯铝基体组成的复合材料。碳化硼颗粒规格为w10；普通碳纳米管平均直径为20nm(直径范围10～30nm)，平均长度为5μm(长度范围2～10μm)。
对比例3
本对比例与实施例1的区别在于石墨化碳纳米管规格不同，本对比例的铝基碳化硼复合材料，由碳化硼颗粒、石墨化碳纳米管及纯铝基体组成的复合材料。碳化硼颗粒规格为w10；石墨化碳纳米管平均直径为5nm(直径范围2～10nm)，平均长度为3μm(长度范围1～5μm)。
对比例4
本对比例与实施例1的区别在于石墨化碳纳米管规格不同，本对比例的铝基碳化硼复合材料，由碳化硼颗粒、石墨化碳纳米管及纯铝基体组成的复合材料。碳化硼颗粒规格为w10；石墨化碳纳米管平均直径为50nm(直径范围40～60nm)，平均长度为15μm(长度范围10～20μm)。
性能测试
采用场发射透射电子显微镜(TEM)对辐照后的He泡尺寸大小、数量(密度)进行表征和分析，型号为FEI Talos F200X G2，加速电压为200KV。
表1
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料，其特征在于，所述铝基碳化硼复材料按体积分数计，包括：
碳化硼颗粒 5～50％
石墨化纳米碳 0.05～5％
余量为铝基粉末。
2.根据权利要求1所述的屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料，其特征在于，所述铝基碳化硼复材料按体积分数计，包括：
碳化硼颗粒 20～35％
石墨化纳米碳 0.5～2％
余量为铝基粉末。
3.一种如权利要求1所述的屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)将石墨化纳米碳与铝基粉末均匀分散复合，制备成石墨化纳米碳/铝复合粉末；
2)将石墨化纳米碳/铝复合粉末与碳化硼颗粒均匀分散复合，制备碳化硼-石墨化纳米碳/铝混合粉末；
3)将碳化硼-石墨化纳米碳/铝混合粉末压坯、烧结、变形加工，获得所述铝基碳化硼复合材料。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的石墨化纳米碳包括石墨化碳纳米管、石墨烯纳米片、石墨化纳米碳纤维、石墨化巴基球、石墨化碳胶囊、石墨化中空微球中至少一种；其特征尺寸为1～500nm。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述的碳化硼颗粒粒径范围为1～500μm，优选的粒径范围为10～40μm。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，铝基体包括纯铝、1系铝合金、2系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金中的一种或几种。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述石墨化纳米碳与铝基粉末均匀分散复合是通过高速机械融合、变速球磨、机械球磨、料浆辅助复合或原位生长纳米碳进行分散复合；
步骤2)中，所述石墨化纳米碳/铝复合粉末与碳化硼颗粒均匀分散复合采用机械混合、机械球磨、高速搅拌混合或气流混合方法。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳化硼-石墨化纳米碳/铝混合粉末压坯采用模压、冷等静压粉末或包套方法。
9.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中烧结采用真空烧结、气氛保护烧结、热压烧结或热等静压烧结；烧结温度范围500～650℃、保温时间0.1～10h。
10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述变形加工采用挤压、轧制、锻造、环锻或旋压方法。
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| EP1956107A1 (en) * | 2007-01-31 | 2008-08-13 | Nippon Light Metal, Co., Ltd. | Aluminium powder alloy composite material for absorbing neutrons, process of production thereof and basket made thereof |
| CN109680227A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-04-26 | 太原理工大学 | 一种碳纤维增强的铝基碳化硼中子屏蔽材料的制备方法 |
| WO2021095988A1 (ko) * | 2019-11-11 | 2021-05-20 | 한국재료연구원 | 다층구조의 중성자 흡수 알루미늄 복합소재 및 그 제조방법 |
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2023
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