DE1471170A1 - Bestrahlungsfestes,keramisches Material und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Bestrahlungsfestes,keramisches Material und Verfahren zu dessen Herstellung

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DE1471170A1 DE19631471170 DE1471170A DE1471170A1 DE 1471170 A1 DE1471170 A1 DE 1471170A1 DE 19631471170 DE19631471170 DE 19631471170 DE 1471170 A DE1471170 A DE 1471170A DE 1471170 A1 DE1471170 A1 DE 1471170A1
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Description

Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Patentanwälte
8 MÜNCHEN 27, MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 483921/22 | T/1 1 /U
General Dynamics Corporation, One Rockefeiler Plaza, New York, N.Y. - USA
Bestrahlun^sfestes, keramisches Material und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein bestrahlungsfestes, keramisches Material sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Das Herstellungsverfahren besteht darin, daß man körniges,
o feuerfestes Oxyd und Silikatglas bildendes sinterndes Agens co cd einer kleineren Durchsciinittskorngröße als die des Oxydes in co ^ genügender Konzentration vermischt, das Material presst und
ω sodann über der die Silikatglas bildende Temperatur erhitzt,
-» um damit ein gesintertes, keramisches Produkt mit zwischengelagerten Silikatglasteilchen zu erhalten.
V/ird keramisches Material einer intensiven Bestrahlung unterworfen, z.B. keramische Moderatoren in Hochtemperatur-lieutronen-Reaktoren, so ergibt sich eine wesentliche Entwertung der physikalisnhen Eigenschaften. Einzelne keranische Materialien expandieren in charakteristischer Weise, wenn sie einer solchen intensiven Bestrahlung unterworfen v/erden. Die Folge ist, daß die Dichte entsprechend abnimmt. Hand in Hand damit geht eine Abnahme der Strukturfestigkeit und eine Zunahme der Gasdurchlässigkeit.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein keramisches Material zu schaffen, welchen eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber den Schaden einer Bestrahlung aufweist, eine Bestrahlung, wie sie normalerweise in Neutronenreaktoren oder dergleichen zu verzeichnen ist.
Das eingangs erwähnte Verfahren und das dem Verfahren entsprechende keramische Material weist diese hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Bestrahlung auf, d.h. es unterliegt bei intensiver Bestrahlung kaum merkbaren Schaden. Nur eine icleine Volumzunahme tritt bei Bestrahlung in entsprechenden Reaktoren bei hohen Temperaturen und bei entsprechend langer Bestrahlungsdauer ein. Die Dichte des Materials fällt im Falle solcher Bestrahlung nur ganz wenig ab. Das gleiche gilt für
un
die Strukturfestigkeit und die Gasfturchlässigkeit.
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Wie eingangs erwähnt, besteht die Erfindung darin, daß körniges, feuerfestes Oxyd in Mischung mit einem Silikatglas bildenden Agens gesintert wird. Zu diesem Zweck wird die Hisehung der genannten Materialien einem Formverfahren unterworfen, welches darin besteht, daß man kaltpresst und sintert, um auf diese V/eise zwischen den feuerfesten Oxydteilchen in dem Produkt eine Glasphase zu schaffen. Die Glaseinlagerung in dem Endprodukt bedingt die gewünschte verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Bestrahlungsschäden und macht das Produkt insbesondere verwendbar in keramischen Moderatoren für Kernreaktoren und dergleichen.
Das feuerfeste Oxyd ist ein solches, welches unter dem Einfluß ■von Bestrahlung leidet, z.B. Berylliumoxyd. Berylliumoxyd besitzt eine hohe thermische Leitfähigkeit bei gleichzeitig vorliegender niedriger elektrischer Leitfähigkeit, einen hohen Schmelzpunkt, gute Eeutronenmoderatoreigenschaften, welche e» zur Verwendung als Moderatormaterial bei hohen Temperaturen in Kernreaktoren oder dergleichen geeignet machen. Die beobachteten nachteiligen Veränderungen von Berylliumoxyd infolge Bestrahlung während einer Verwendung als Moderatoren und dergleichen sind biuher ein schwieriges Problem. Dieses Problem ist durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung und durch das keramische Material gemäß vorliegender Erfindung /{(ilöiit. jie vorl legende Erfindung bezieht sich aber nicht nur .•u:i Berylliumoxv'i sondern auch auf Aluminiumoxyd (Tonerde), Mainesiumoxyd. Zirkoncxyd, Titanoxyd und dergleichen, und zwar je für sich allein oder in gegenseitiger Mischung.
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Das Silikatglas bildende sinternde Agens ist ein einziger, geeigneter, in feiner Verteilung vorliegender Stoff oder ein Gemisch von geeigneten Stoffen. Die Teilchengröße des glasbildenden sinternden Silikates ist kleiner als die Korngröße des feuerfesten Oxydes. Im besondern kommt als Silikatglas bildendes sinterndes Agens Bentonit in Betracht. Bentonit ist hydratisiertes Aluminiumsilikat, d.h. kolloidale Erde auf Montmorillonit-Basis. Jede für die vorliegende Erfindung geeignete kolloidale Montmorillonit-Basiserde besitzt einen Siliziumoxyd- oder Silikatkonstituenten, welcher bei Sinterungstemperatur fähig ist, in Silikatglasphase überzugehen. Das sinternde Silikatglas bildende Material muß auch im gesinterten Zustand als bindendes Agens für die feuerfesten Oxydteilchen geeignet sein.
Wie erwähnt, kommt für den Fall der vorliegenden Erfindung insbesondere Bentonit in Frage, zumal Bentonit handelsüblich in fein verteilter Form erhältlich ist und ausserordentlich zum Sintern und als bildendes Agens geeignet ist. Das Bentonit liefert während des Sinterns ein Silikatglas. Es oder ein entsprechendes äquivalentes Agens muß genügend kleine Teilchengröße besitzen, um die Kornzwischenräume zwischen den feuerfesten Oxydteilchen auszufüllen. Vorzugsweise soll es die Oberflächen der feuerfesten Oxydteilchen überziehen. In der Praxis wird das Silikatglas bildende Agens bezüglich der Partikelgröße der Teilchengröße des feuerfesten Oxydes angepasst.
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Anstelle des Bentonits lassen sich natürlich auch andere geeignete Agenzien verwenden, 30 weit diese Silikatglas bildende Eigenschaften besitzen und Sinterungafähig sind, wie z.B. Talk. Talk ist ein natürliches eumhydratisiertes Magnesiumsilikat und kann mit Kalziumkarbonat, Kalziumsilikat oder anderen Kalzium liefernden Materialien gemischt werden derart, daß unter Sinterbedingungen das Silikatglas, vorzugsweise des Magnesiumkalziumsilikattypea, gebildet wird.
Der Talk oder das Talkkalziumkarbonat-Gemisch wird für gewöhnlich als Silikatglas bildendes sinterndes Agens dort verwendet, wo das feuerfeste Oxyd in verhältnismässig groben Teilchen, z.B. größer als 10 Mikron vorliegt. Liegt dieses Material in verhältnismässig kleiner Form vor, so wird man Bentonit verwenden.
mm ßentonit ist in agglomerierten Größen von 0,075 - 0,045/(200 325 mesh) (im Handel erhältlich) vorhanden und lässt sich in Wasser dispergieren, um Teilchen zu ergeben, die kleiner sind als 5 Mikron.' Solche kleine Teilchen sind insbesondere für den Gebrauch mit feuerfesten Oxyden einer Teilchengröße kleiner als 10 Mikron oder größer geeignet.
Für die Teilchengröße des feuerefesten Materials spielt es eine Rolle, daß man Hückstoßschäden nach Möglichkeit vermeiden will und daß die Größe für das Pressen und Sintern besonders geeignet ist ο Hat man so die Teilchengröße des feuerfesten Oxydes ausgewählt, so wird erst dann das entsprechende Silikatglas
sinternde
bildende/Agens ausgewählt. Dieses letztere Agens ist im Gemisch
in einer Konzentration vorhanden, welche dazu ausreicht, um die gewünschten Eigenschaften oder Widerstandsfähigkeit gegenüber
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I t / I Ϊ / U
Bestrahlungsschäden zu erhalten»
Es wurde festgestellt, daß für die meisten Zwecke eine Konzentration von etwa 1 - y/o (bezogen auf die keramische Masse) des Silikatglas bildenden sinternden Mittels genügend ist, um eine deutliche Verbesserung bezüglich der Bestrahlungswiderstandsfähigkeit zu erzielen.
Selbstverständlich können auch etwas geringere Konzentrationen, ebenso etwas höhere Konzentrationen zur Anwendung kommen, je nach dem besonderen hitzebeständigen Oxyd bzw. der Teilchengröße.
Mit größeren Konzentrationen des Silikatglas bildenden Iiittels soll die letzte Verwendung des Produktes zunächst betrachtet v/erden. Dort, v/o das Produkt als Moderator verwendet wird, ist es wünschenswert, eine hohe Strukturfestigkeit, gute thermische Leitfähigkeit und andere Eigenschaften einschließlich der hohen NeutronenModeration zu haben. Deshalb ist es wünschenswert, die Konzentration des Agens auf eine solche zu beschränken, die sich etwa in den angegebenen G-renzen von 1 bis ;5 Gewichtsprozent bewegt. Diese Konzentration soll gehalten werden, um nicht die gesamte neutronendämpfende V/irkung der hitzebeständigen Komponente in dem θ kerwa,ischen Material herabzusetzen.
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Das Mischen kann in beliebiger Weise durchgeführt werden. Um eine angemessene Mischung des feuerfesten Oxydes mit dem sinternden Agens zu erreichen und um das Pressen zu erleichtern, wird gewöhnlich ein organischer Binder, wie z.B. Ilethylzellulose, Athylzellulose? Polyvinylalkohol, Paraffin, mikroktistallines Waohs oder dergleichen in kleinen Konzentrationen in der Höhe von etwa 0,2 bis etwa 1 Gewichtsprozent in der Mischung verwendet.
Um eine gute gleichmäsBige Mischung zu gewinnen, wird man das feuerfeste Oxyd und das sinternde Mittel in Wasser aufschlemmen, welch letzteres auoh in Dispersion oder in Lösung einen Löser für den Binder enthalten kann. Der Schlamm kann sodann innig in einer Kugelmühle oder dergleichen gemischt v/erden; daran anschließend wird das Wasser und das Lösungsmittel verdampft, um eine Paste der Mischung zu gewinnen. Die Paste kann sodann auf die geeignete Größe granuliert werden, um sodann einer Kaltpressung zur gewünschten Form unterworfen zu werden. Demzufolge wird also nach dem Mischen die Körnung der Mischung vorgenommen und sodann das einzelne Teilchen kaltgepresst. Das Granulieren wird in der Weise
Paste
durchgeführt, daß man die/nach Abdampfen oder Abfiltrieren de» Wassers und des BindelösungBmittels aus der Paste durch ein Sieb geeigneter Größe treibt.
Das Kaltpressen kann in einer Stahlform oder dergleichen bei entsprechendem Druck, z.B. 5000 bis 10000 psi Kolbendruck vorgenommen werden. Der gewonnene Pressling wird sodann durchgetrocknet und gesintert. 909837/0321
Das Sintern wird in der Weise ausgeführt, daß man den Pressling in Luft oder einem inerten Gas oder in Vakuum der Sinterungstemperatur für eine bestimmte Zeit, z.B. 2 bis 4 Stunden unterwirft. Die Sinterungstemperatur ist je nach der Art des Silikatglas bildenden Mittels verschieden. In der Regel wird man die glasige Phase bei einer Sinterungstemperatur von etwa 1500 herbeiführen. Während der Erhitzung ist jede thermische Belastung des Presslings zu vermeiden. Demgemäß wird der Pressling erhitzt und nach der Sinterung wird langsam abgekühlt. Das Erhitzen und das Abkühlen erfolgt etwa im Ausmaß von etwa 200°pro Stunde.
Nach der vorliegenden Erfindung ist es möglich, keramische Produkte zu gewinnen, welche ein Schüttgewicht aufweisen, welches etwa dem theoretischen Schüttgewicht der festen Kristallstruktur des feuerfesten Oxydes entspricht. Schüttgewichte von 90 bis 95$ des theoretischen Schüttgewichtes von Berylliumoxyd wurden nach dem beschriebenen Kaltpressverfahren und Sinterverfahren erreicht.
Der genaue Mechanismus, der für die Verbesserung der Strahlungefestigkeit des erfindungsgemäßen Produktes maßgebend ist, ist nicht genau bekannt. Nichts destoweniger ist die Verbesserung der Strahlungsfestigkeit nicht nur reproduzierbar sondern auch meßbar. Es wird angenommen, ohne damit etwa den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu beschränken, daß die erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber Bestrahlung auf einen oder mehrere der nachstehend aufgeführten Umstände zurückzuführen ist. 909837/0321
Im Falle der Verwendung von Berylliumoxyd oder anderen feuerfesten Oxyden, welche während der Neutronenbestrahlung bei gehobener Temperatur Helium freimachen oder erzeugen, hat das Helium die Tendenz, eine Expansion und Strukturfehler während einer ausgedehnten Zeit zu verursachen. Das Helium ist innerhalb des keramischen Materials eingeschlossen und verursacht während der Bildung und. Expansion Risse und Sprünge in der Masse. Wenn jedoch im Sinne der Erfindung die glasige, gebildete Masse in den Zwischenräumen zwischen den Berylliumoxydteilchen und dergleichen vorhanden ist, so liegt ein Diffusionsweg für das gebildete Helium aus der keramischen Masse vor, ohne daß eine Verminderung in der Strukturfestigkeit damit Hand in Hand geht.
Des Weiteren wird angenommen, daß bei Verwendung von Berylliumoxyd und fe hitzebeständigen Oxyden, wie z.B. Aluminiumoxyd,· Zirkonoxyd und dergleichen die beobachtete, merkbare Volumvergrösserung, welche normalerweise während der Hochtemperatur-Neutronenbestrahlung eintritt, als eine anistropische Kristallexpansion auftritt, von der wiederum angenommen wird, daß sie mindestens zum Teil verantwortlich für die Verminderung der Strukturfestigkeit des keramischen Produktes ist. Es ist möglich, daß die Silikatglasphase zwischen den Teilchen des keramischen Materials als Polster oder Kissen gegen die Wirkung einer solchen anistropischen Kristallexpansion wirkt und infolgedessen bestrebt ist,
zu diese Wirkung durch Verteilung der lokalen Drücke/vermindern
und damit die Ausdehnung von Kristall zu Kristall durch das gesamte Material hindurch zu beschränken. 909837/0321
IT/ I I / KJ
Mit kurzen Worten ausgedrückt, wird also die Widerstandsfähigkeit des keramischen Materials gegenüber Verminderung der Strukturfestigkeit bei erhöhten Temperaturen, z. B. 1000 bis 2000° während der Beaufschlagung durch Neutronenbe-
21 Strahlung, z.B. e von etwa 1-2 χ 10 NVT (mehr als 1 Mev) erhöht, ob nun Berylliumoxyd oder ein anderes feuerfestes Metalloxyd im keramischen Produkt verwendet wird, die Volumvergrösserung oder Dimensionszunähme des keramischen Materials und die Abnahme der Dichte sind vermindert.
Beispiel I
Eine Charge keramischen Materials für die Herstellung eines bestrahlungswiderstandsfähigen keramischen Moderators wird aus den nachstehenden Beistandteilen hergestellt.
Tafel I
Bestandteil
Berylliumoxyd, sinterbares Pulver (kalziliniert)
Bentonit
Wasser
Paraffin
Perchloräthylen
Gewichtsteile Teilchengröße
rt) 98-99 2,0-0,30 mm Sieb
weite (10-50 mesh)
2-1 0,075-0,04-5 mm
Siebweite (200-
325 mesh)
400
0,5
5
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Der in der vorstehenden Tafel I genannte Bentonit besitzt etwa die in der unten stehenden Tafel II wiedergegebene Zusammensetzung.
Oxydbestandteile Gewichtsteile
Tafel II SiO2 44,07°/°
Al2O5 10,12
CaO 13,42
MgO 13,04
Na2O ;
K2o !
1,73
Das Berylliumoxyd und der Bentonit wurden anfänglich in den angegebenen Mengenverhältnissen gemischt (unter Verwendung von 400 Gramm Berylliumoxyd). Das Mischen erfolgte in einer Kugelmühle, welche zur Hälfte mit Aluminiumkugeln gefüllt war. Nach dem Mischen wurde das in Perchloräthylen gelöste Paraffin zugegeben. Die in Tafel I angegebene V/assermenge wurde zugegeben. Der erhaltene* Schlamm wurde in der Kugelmühle wiederum gemischt, um eine dicke Faste durch allmähliches Entfernen von Wasser durch Filtrieren zu gewinnen«
Die so gewonnene Paste würde unter Verwendung eines 1,25 mm Siebes (16 mesh-Sieb) granuliert. Das granulierte Material würde in die Form von Presslingen gebracht, durch Verpressen in einer Stahlform bei einer Umgebungstemperatur und einem Kolbendruck von 5000 - 10000 psi. Der geformte Pressling
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wurde allmählich getrocknet und durch Erhitzen in Luft auf 154O0C in einem elektrischen Ofen während einer Zeit von 4 Stunden gesintert. Die Temperatur wurde auf die Sinterungstemperatur angehoben, und zwar um etwa 200 C pro Stunde. Nach vierstündigem Sintern bei 154O0C wurde das Produkt in Höhe eines Temperaturabfalles von etwa 2000C pro Stunde auf die Umgebungstemperatur abgekühlt. Es wurde eine Dichte erhalten, die 95$ der Berylliumoxydkristalldichte von 3,01 Gramm cm enthielt}, wenn man in der angegebenen Weise presste und sinterte.
Das gewonnene kugelförmige Produkt wurde sodann bestrahlt bei
21
1-3 χ 10 NVT, und zwar bei einer Temperatur von 1 Mev. Die Bestrahlungsdauer war ausgedehnt. Die einzelnen Eigenschaften der bestrahlten Kügelchen wurden verglichen mit denjenigen unbestrahlter Kügelchen, die in gleicher Weise hergestellt wurden.
Es wurde festgestellt, daß die Ausmaße der bestrahlten Kügelchen um weniger als durchschnittlich 1$ anwuchsen, während ihre Dichte um weniger als durchschnittlich 3% abfiel. Die axialen Druckfestigkeiten der bestrahlten Kügelchen nahmen durch einen Faktor von 2-3 ab, während das thermische Diffusionsvermögen um 15-40$ niedriger war als bei den unbestrahlten Vergleichskügelchen. Diese für bestrahlte Kügelchen geltenden Eigenschaften waren merkbar verbessert gegenüber Berylliumoxydkügelchen, welche kein Bentonit oder andere Silikatglas bildende Agenzien enthielten und auf dem gleichen Wege hergestellt waren. 909837/0321
Beispiel III Gewichtsteile
Bestandteile 95
sinterbares
Aluminiumoxyd
pulver
5
Talk 2
eKalz iumkarbonat 400
Wasser 0,5
Methylzellulose 5
Trichloräthylen
Korngröße
2,0 mm Siebgröße (10 mesh)
0,125 mm Siebgröße (100 mesh)
0,125 mm Siebgröße (100 mesh)
Die angegebenen Stoffe werden gemischt, granuliert, kaltgepresst und gesintert, wie in Beispiel I beschrieben, mit der Abweichung, daß eine Sinterungstemperatur von etwa 1700° zur Anwendung kam. Das Produkt wurde einer Bestrahlung von etwa 1 Mev-Neutron bei etwa 100O0C während einer ausgedehnten Zeit unterworfen und geprüft. Auch nach der Bestrahlung zeigte sich das Produkt als hart, dicht und strukturfest. Es wies weniger Verminderung an Strukturfestigkeit, Dichte und Dimensionsverminderung auf als ein Vergleichsprodukt, das in gleicher Weise ohne den Zusatz von Talk, Kalziumkarbonat oder anderen glasbildenden, sinternden Agenzien hergestellt wurde.
co
oo Die vorstehenden Beispiele lassen deutlich die Vorteile des co
^ erfindungsgemäßen Verfahrens des gewonnenen Produktes er-
to kennen. Das nach dem vorliegenden Verfahren gewonnene kera-
-» mische Material ist hart, strukturfest und weist eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Neutronenbestrahlung
bei erhöhter Temperatur auf. Während einer solchen Bestrahlung tritt nur eine sehr geringe Dimensionsänderung des Produktes auf. Das erfindungsgemäße Produkt ist somit sehr wohl geeignet zur Verwendung in Gegenständen, in denen es einer hochintensiven Bestrahlung ausgesetzt ist.
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Claims (11)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung bestrahlungsfester, keramischer Produkte, dadurch gekennzeichnet, dai3 man körniges, feuerfestes Oxyd und Silikatglas bildende sinternde Agenzien einer kleineren Durchschnittskorngröße als die des Oxydes und einer entsprechenden Konzentration vermischt, preßt und über der die Silikatglaabildung bedingenden Temperatur sintert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Mischung vor dem Pressen in eine körnige Form verbringt und ein Kaltpressen zum Zwecke der Bildung eines Presslings vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ausgangsmaterialien in Wasser zusammen mit einem organischen Bindemittel aufschlämmt, eine Paste bildet und diese Paste nach dem Kaltpressen zu einem Pressling trocknet.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als feuerfestes Oxyd Berylliumoxyd verwendet.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als Silikatglas bildendes sinterndes Agens Bentonit verwendet.
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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß man den Bentonit k in einer Konzentration zwischen etwa 1 und etwa 3 Gewichtsprozent,der Gesamtheit, nämlich der Mischung Bentonit und feuerfestes Oxyd, verwendet.
7. Bestrahlungsfestes, keramisches Material nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer gesinterten einheitlichen Masse von feuerfesten Oxydteilchen und Silikatglas besteht und das Silikatglas zwischen den feuerfesten Oxydteilchen gelagert ist.
8. Material nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die feuerfesten Oxydteilchen in einer größeren Menge vorliegen und das Silikatglas in einer kleineren Menge zwischen den feuerfesten Oxydteilchen gelagert ist und in einer Konzentration vorliegt , die ausreicht, um die Widerstandsfähigkeit gegen Bestrahlung des Produktes zu erhöhen.
9. Material nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das feuerfeste Oxyd Berylliumoxyd ist.
10. Material nach Anspruch 7 bis 91 dadurch gekennzeichnet, daß das Silikatglas gesinterter Bentonit ist.
11. Material nach Anspruch 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Silikatglas in einer Konzentration von zwischen etwa 1 bis etwa y/o des Gesamtgewichtes des feuerfesten Oxydes und des Silikatglases vorliegt.
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