一種高溫直接法制備氘化鋯的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高溫直接法制備氘化鋯的方法，屬于材料科學(xué)與核科學(xué)交叉領(lǐng)域。本發(fā)明在高溫下讓金屬鋯與氘氣反應(yīng)生成氘化鋯。本發(fā)明解決了氘化鋯工業(yè)化規(guī)模制備技術(shù)和制備純度問(wèn)題，無(wú)復(fù)雜生產(chǎn)裝置，所需制備裝置簡(jiǎn)單易購(gòu)，在現(xiàn)有工廠條件下即可實(shí)現(xiàn)氘化鋯生產(chǎn)線的安全搭建；制備工藝簡(jiǎn)單易操作，制備過(guò)程無(wú)高溫加減壓裝置，并且有惰性氣體保護(hù)，安全可靠；產(chǎn)品產(chǎn)量和純度較好，產(chǎn)品穩(wěn)定性好，可以長(zhǎng)期貯存；生產(chǎn)過(guò)程無(wú)“三廢”產(chǎn)出，對(duì)人體和環(huán)境無(wú)害，環(huán)保綠色，這對(duì)工業(yè)化大規(guī)模安全制備高純度氘化鋯及其規(guī)模應(yīng)用具有重大意義。
【專利說(shuō)明】一種高溫直接法制備氘化鋯的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種高溫直接法制備氘化鋯的方法，屬于材料科學(xué)與核科學(xué)交叉領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，人們把信息、材料和能源作為社會(huì)文明的支柱，把新材料與信息技術(shù)、生物技術(shù)并列作為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志?，F(xiàn)代社會(huì)，材料已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和人民生活的重要組成部分。不斷開發(fā)新材料，在新領(lǐng)域使用新材料，成為一個(gè)國(guó)家科研實(shí)力和綜合創(chuàng)造力的體現(xiàn)。
[0003]鋯(Zr)與鈦同位于第四副族，兩者在元素性質(zhì)方面有相似之處，是21世紀(jì)非常有應(yīng)用前景的新材料。在含能材料方面，鋯粉著火點(diǎn)低、燃燒速度快，被用作雷管起爆藥甚至在水下都能爆炸；鋯粉與氧化劑混合，反應(yīng)劇烈并伴有眩目強(qiáng)光，是制造曳光彈和照明彈的好材料。從原子能和核能的角度來(lái)看，鋯有著突出的核性能，是發(fā)展原子能工業(yè)不可缺少的材料，中國(guó)大型核電站普遍都用鋯材。與此同時(shí)，鋯與氫、氮、氧的親和力很強(qiáng)，與氫反應(yīng)可以形成氫化鋯，氫化鋯是一種穩(wěn)定粉末，在正常情況下，對(duì)空氣和水穩(wěn)定，在工業(yè)上用于焰火、熔劑和引燃劑，在核反應(yīng)堆中用為減速劑，在真空電子管中用作吸氣劑。
[0004]眾所周知，氘(D)是氫的一種穩(wěn)定同位素，兩者的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)幾乎完全相同，鋯對(duì)氘也有著很強(qiáng)的親和性，可以用作為儲(chǔ)氘材料，Icm3金屬鋯可以吸收氘氣量約為19L，是一種儲(chǔ)氘體積密度很大的金屬。氘的化學(xué)反應(yīng)特性與氫完全相同，因此在化學(xué)應(yīng)用的層面上氘化鋯(ZrD2) 完全可以取代氫化鋯的作用效果。氘在核研究方面有著獨(dú)特的應(yīng)用，這使得氘化鋯比氫化鋯的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛，在含能材料和核研究領(lǐng)域有著比氫化鋯更為巨大的應(yīng)用潛力。氘化鋯是一種有著非常廣闊的應(yīng)用前景的新材料，實(shí)現(xiàn)其工業(yè)化規(guī)模制備尤為重要。
[0005]目前對(duì)氘化鋯的報(bào)道相對(duì)較多，但多集中在氘氣在金屬鋯中的固溶擴(kuò)散機(jī)理、鋯與氘氣反應(yīng)熱力學(xué)特性研究、氘化鋯熱解吸動(dòng)力學(xué)特性研究等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，尚未有氘化鋯工業(yè)化規(guī)模制備的文獻(xiàn)資料。中國(guó)工程物理研究院曾利用一套無(wú)油高真空金屬測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)氘氣和金屬鋯直接反應(yīng)制備氘化鋯，并研究了氘化鋯的熱力學(xué)及其動(dòng)力學(xué)特性，使用原料為99.99%純度鋯加工成的質(zhì)量為400mg的φ1x I mm小圓片，規(guī)格嚴(yán)謹(jǐn)，加工成本高，同時(shí)制備過(guò)程需要較長(zhǎng)時(shí)間的負(fù)壓700°C加熱，對(duì)設(shè)備要求較高且極其損害設(shè)備使用壽命；該研究是氘化鋯吸放氘特性的基礎(chǔ)研究，對(duì)氘化鋯的工業(yè)化生產(chǎn)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義，但由于缺乏與工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)相匹配的工藝條件，顯然難以適應(yīng)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有氘化鋯的制備不利于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)的問(wèn)題，提供的一種高溫直接法制備氘化鋯的方法。
[0007]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0008]一種高溫直接法制備氘化鋯的方法，具體步驟如下:
[0009]步驟一、將金屬鋯切割成小塊，在惰性氣體的保護(hù)下，在除雜質(zhì)的專用溶液中洗漆，去尚子水洗后，真空干燥；
[0010]步驟二、在惰性氣體保護(hù)下，將步驟一的小塊金屬鋯裝入耐高溫容器中；然后再整體放入高溫加熱爐艙內(nèi)，迅速關(guān)閉爐艙；通過(guò)抽真空與通入惰性氣體,使高溫加熱爐艙內(nèi)的空氣完全排出；
[0011]步驟三、通過(guò)抽真空與通入氘氣，置換出高溫加熱爐艙內(nèi)的惰性氣體，同時(shí)使高溫加熱爐艙內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)；
[0012]步驟四、保持步驟三的負(fù)壓狀態(tài)，以10~30°C /min的升溫速率將溫度升至200~7000C ;然后通入氘氣；持續(xù)通入氘氣，同時(shí)以2~20°C /min的速度升溫至400~1100°C，停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，直至氘氣壓力表與加熱反應(yīng)爐內(nèi)的壓力完全處于平衡；
[0013]步驟五、將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出爐艙內(nèi)的氘氣，得到氘化鋯；
[0014]所述步驟四結(jié)束后通過(guò)再次升溫能夠?qū)﹄喌姆磻?yīng)程度進(jìn)行檢查，具體方法為:待氘氣壓力表與加熱反應(yīng)爐內(nèi)的壓力完全處于平衡后，再次升溫5~50°C，氘氣壓力表仍然無(wú)波動(dòng)，表明爐內(nèi)氣化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)；
[0015]上述除雜質(zhì)的專用溶液為王水或2~20%氫氟酸溶液。
[0016]有益效果
[0017]1、本發(fā)明的一種高溫直接法制備氘化鋯的方法，無(wú)復(fù)雜生產(chǎn)裝置，所需制備裝置簡(jiǎn)單易購(gòu)，在現(xiàn)有工廠條件下即可實(shí)現(xiàn)氘化鋯生產(chǎn)線的安全搭建；制備工藝簡(jiǎn)潔容易操作，制備過(guò)程無(wú)高溫加減壓裝置，并且有惰性氣體保護(hù)，安全可靠，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；
[0018]2、本發(fā)明的一種高溫直接法制備氘化鋯的方法，制得的產(chǎn)品產(chǎn)率和純度較好，該方法制備氘化鋯的轉(zhuǎn)化率為98.00~99.99%，氘化鋯純度為98.00~99.99% ；
[0019]3、本發(fā)明的一種高溫直接法制備氘化鋯的方法，由于不存在與空氣的直接接觸，產(chǎn)品穩(wěn)定性好，研磨成粉后真空封存可以長(zhǎng)久貯存；生產(chǎn)過(guò)程無(wú)“三廢”產(chǎn)出，對(duì)人體和環(huán)境無(wú)害，環(huán)保綠色。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為氘化鋯制備裝置系統(tǒng)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021 ] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0022]實(shí)施例1
[0023]將純度為99.4%的金屬鋯切割成粒徑為2mm的小塊，稱取503g，裝入石英玻璃管內(nèi)。在氬氣保護(hù)下，將石英管置于高溫加熱爐艙內(nèi)，關(guān)閉爐艙，如圖1所示。通入氬氣置換出爐艙內(nèi)氣體，并將艙內(nèi)壓力抽至負(fù)壓為0.025MPa，然后通入純度為99.999%的氘氣置換出艙內(nèi)氬氣，并再次抽至負(fù)壓為0.018MPa，反復(fù)操作3次；以30°C /min的升溫速率快速將溫度升至567°C，通入氘氣，控制流速為903ml/min不變，同時(shí)以10°C /min的速度加熱43min至890°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續(xù)反應(yīng)122min，此時(shí)氘氣壓力表與加熱反應(yīng)爐內(nèi)的壓力完全處于平衡；再次升溫20°C，氘氣壓力表示數(shù)仍然無(wú)波動(dòng)，表明爐內(nèi)氘化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)，共通入23.85g氘氣。停止通入氘氣，將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出艙內(nèi)氘氣，打開爐艙，將試管取出，即得到制備的好氘化鋯(鋯塊表面爆裂形狀，裂口縱橫交錯(cuò)，脆硬)。在空氣中室溫條件下研磨成細(xì)粉，過(guò)300目篩，即得到523.86g氘化鋯粉。將此粉進(jìn)行真空包裝可得到能安全貯存的產(chǎn)品。該方法制備氘化鋯的轉(zhuǎn)化率為93.92%，氘化鋯純度為94.16%。
[0024]實(shí)施例2
[0025]將純度為99.99%的金屬鋯切割成粒徑為8mm的小塊，稱取鋯塊1400g，裝入石英玻璃管內(nèi)，將石英管置于高溫加熱爐艙內(nèi)，關(guān)閉爐艙。控制通氣閥門，爐艙內(nèi)通入氬氣后將艙內(nèi)壓力抽至負(fù)壓為0.019MPa，然后通入高純氘氣，反復(fù)操作4次后，關(guān)閉所有閥門。以200C /min的升溫速率快速將溫度升至586°C，打開氘氣閥門，通入純度為99.999%的氘氣，控制流速為1994ml/min不變，同時(shí)以15°C /min的速度升溫36min至867°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續(xù)反應(yīng)164min，此時(shí)氘氣壓力表與加熱反應(yīng)爐內(nèi)的壓力完全處于平衡；此時(shí)再次升溫13°C，氘氣壓力表出現(xiàn)輕微波動(dòng)，保持上述氘氣流速繼續(xù)反應(yīng)15min ;再次升溫15°C,氣氣壓力表無(wú)波動(dòng),表明爐內(nèi)氣化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn),共通入61.24g氣氣；關(guān)閉氣氣閥門，將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，將試管取出，即得制備好的氘化鋯(表面呈爆裂形狀，裂口縱橫交錯(cuò)，脆硬)；在空氣中室溫條件下研磨成細(xì)粉，即得到1458.24g氘化鋯粉。該方法制備氘化鋯的轉(zhuǎn)化率為94.21%，純度為94.33%。
[0026]實(shí)施例3
[0027]將純度為99.99%、粒徑為15mm的金屬鋯小塊，在氬氣保護(hù)下，于王水中5°C攪拌1min,去離子水洗4次，真空干燥；在氬氣保護(hù)下，稱取上述處理過(guò)的鋯塊2802g，裝入石英玻璃管內(nèi)，用橡皮塞塞住管口 ；在氬氣保護(hù)下，將石英管置于高溫加熱爐艙內(nèi)，快速拔下橡皮塞并迅速關(guān)閉爐艙；通入氬氣置換出爐艙內(nèi)氣體后，將艙內(nèi)壓力抽至負(fù)壓為0.022MPa,然后通入99.999%氘氣，反復(fù)操作3次；以25 °C /min的升溫速率將溫度升至541 °C，通入氘氣，控制流速為4499ml/min不變，同時(shí)以10°C /min的速度升溫52min至862°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續(xù)反應(yīng)128min后，此時(shí)氘氣壓力表與加熱反應(yīng)爐內(nèi)的壓力完全處于平衡；再次升溫29°C，氘氣壓力表仍然無(wú)波動(dòng)，表明此時(shí)爐內(nèi)氘化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)，共通入125.32g氘氣。停止氘氣通入，將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，打開爐艙，將試管取出，即得到制備好的氘化鋯(表面呈爆裂形狀，裂口縱橫交錯(cuò)，脆硬)。在空氣中室溫條件下研磨成細(xì)粉，即得到2924.32g氘化鋯粉。將此粉進(jìn)行真空包裝可得到能安全貯存的產(chǎn)品。該方法制備氘化鋯的轉(zhuǎn)化率為98.87%，氘化鋯純度為98.92%。
[0028]實(shí)施例4
[0029]在氬氣保護(hù)下，將純度99.99 %、粒徑20mm的鋯金屬小塊，于王水中室溫?cái)嚢?min,在去離子水洗6次后，真空干燥；在氬氣保護(hù)下，稱取上述處理過(guò)的鋯塊6000g，裝入石英玻璃管內(nèi)，置于高溫加熱爐艙內(nèi)，并迅速關(guān)閉爐艙。爐艙內(nèi)通入氬氣置換出爐艙內(nèi)氣體，將艙內(nèi)壓力抽至負(fù)壓為0.02MPa，然后通入高純氘氣，反復(fù)操作5次；以12°C /min的升溫速率將溫度升至296°C，通入高純99.999%的高純氘氣，控制流速為6985ml/min不變，同時(shí)以16°C /min的速度升溫68min至902°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續(xù)反應(yīng)145min,此時(shí)氘氣壓力表與加熱反應(yīng)爐內(nèi)的壓力完全處于平衡；此時(shí)再次升溫8 V，氘氣壓力表仍然沒(méi)有出現(xiàn)波動(dòng)，表明爐內(nèi)氘化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)，共通入265.68g氘氣。停止氘氣通入，將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，通入氬氣置換出爐艙內(nèi)氫氣，在氬氣保護(hù)下，將石英玻璃管取出，即得到制備好的氘化鋯(表面呈爆裂形狀，裂口縱橫交錯(cuò)，脆硬)。在室溫條件下研磨成細(xì)粉，即得到6262.69g氘化鋯粉。將此粉進(jìn)行真空包裝可得到能安全貯存的產(chǎn)品。該方法制備氘化鋯的轉(zhuǎn)化率為99.15%，氘化鋯純度為99.19%。
[0030]實(shí)施例5
[0031 ] 將純度為99.99 %的鋯切割成粒徑為30mm的小塊，在氬氣保護(hù)下，于3 %的氫氟酸溶液中5°C洗滌35min，去離子水洗4次后，真空干燥。在氬氣保護(hù)下，稱取上述處理過(guò)的鋯塊2000g，裝入石英玻璃管內(nèi)，用橡皮塞塞住管口，置于高溫加熱爐艙內(nèi)，快速拔下橡皮塞并迅速關(guān)閉爐艙。通過(guò)開關(guān)通氣閥，爐艙內(nèi)通入氬氣將艙內(nèi)壓力抽至負(fù)壓為0.018MPa，然后通入99.999%的高純氘氣，反復(fù)操作4次。以25°C /min的升溫速率將溫度升至602°C，通入高純氘氣，控制流速為2255ml/min不變，同時(shí)以5°C /min的速度升溫78min至905°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，繼續(xù)反應(yīng)147min后，此時(shí)氘氣壓力表與加熱反應(yīng)爐內(nèi)的壓力完全處于平衡；此時(shí)再次升溫8°C，氘氣壓力表仍然無(wú)波動(dòng)，表明爐內(nèi)氘化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)，共通入90.59g氘氣。關(guān)閉氘氣閥門，將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，打開爐艙，用橡膠塞密封試管口，將試管取出，即得到制備好的氘化鋯(表面大量開裂，裂口縱橫交錯(cuò)，脆硬)。在空氣中室溫條件下研磨成細(xì)粉，即得到2087.59g氘化鋯粉。將此粉進(jìn)行真空包裝可得到能安全貯存的產(chǎn)品。該方法制備氘化鋯的轉(zhuǎn)化率為99.18%，氘化鋯純度為99.21%。
[0032]實(shí)施例6
[0033]將99.99%的鋯切割成粒徑為1mm的小塊，在氬氣保護(hù)下，于17%的氫氟酸溶液中10V洗滌15min，在去離子水洗6次后，真空干燥。在氬氣保護(hù)下，稱取上述處理過(guò)的鋯塊1800g,裝入石英玻璃管內(nèi)，將石英管置于高溫加熱爐艙內(nèi)，并迅速關(guān)閉爐艙；通入氬氣將艙內(nèi)氣體進(jìn)行置換，壓力抽至負(fù)壓為0.013MPa，然后通入高純氘氣，反復(fù)操作4次；以30°C /min的升溫速率快速將溫度升至615°C，通入純度為99.99%的氘氣，控制流速為2269ml/min不變，同時(shí)以12°C /min的速度升溫42min至906°C停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，再繼續(xù)反應(yīng)160min后，此時(shí)氘氣壓力表與加熱反應(yīng)爐內(nèi)的壓力完全處于平衡；再次升溫13°C,氣氣壓力表無(wú)波動(dòng),表明爐內(nèi)氣化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn),共通入81.85g氣氣。關(guān)閉氣氣,將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，在氬氣保護(hù)下，將試管取出，即得到制備好的氘化鋯(表面大量開裂，裂口縱橫交錯(cuò)，脆硬)，質(zhì)量為1878.85g。該方法制備氘化鋯的轉(zhuǎn)化率為99.21%，氘化鋯純度為99.24%。
【權(quán)利要求】
1.一種高溫直接法制備氘化鋯的方法，其特征在于:具體步驟如下: 步驟一、將金屬鋯切割成小塊，在惰性氣體的保護(hù)下，在除雜質(zhì)的專用溶液中洗滌，去離子水洗后，真空干燥； 步驟二、在惰性氣體保護(hù)下，將步驟一的小塊金屬鋯裝入耐高溫容器中；然后再整體放入高溫加熱爐艙內(nèi)，迅速關(guān)閉爐艙；通過(guò)抽真空與通入惰性氣體,使高溫加熱爐艙內(nèi)的空氣完全排出； 步驟三、通過(guò)抽真空與通入氘氣，置換出高溫加熱爐艙內(nèi)的惰性氣體，同時(shí)使高溫加熱爐艙內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)； 步驟四、保持步驟三的負(fù)壓狀態(tài)，以10~30°C /min的升溫速率將溫度升至200~7000C ;然后通入氘氣；持續(xù)通入氘氣，同時(shí)以2~20°C /min的速度升溫至400~1100°C，停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，直至氘氣壓力表與加熱反應(yīng)爐內(nèi)的壓力完全處于平衡； 步驟五、將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出爐艙內(nèi)的氘氣，得到氘化鋯。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高溫直接法制備氘化鋯的方法，其特征在于:所述步驟四結(jié)束后通過(guò)再次升溫能夠?qū)﹄喌姆磻?yīng)程度進(jìn)行檢查，具體方法為:待氘氣壓力表與加熱反應(yīng)爐內(nèi)的壓力完全處于平衡后，再次升溫5~50°C，氘氣壓力表仍然無(wú)波動(dòng)，表明爐內(nèi)氣化反應(yīng)達(dá)到終點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求1所述的一種高溫直接法制備氘化鋯的方法，其特征在于:步驟一所述除雜質(zhì)的專用溶液為王水或2~20%氫氟酸溶液。
【文檔編號(hào)】C01G25/00GK104176777SQ201410458899
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年9月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】劉吉平, 劉曉波 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)