一種熱中子吸收隔離塊陶瓷材料的制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種陶瓷材料的制備方法，尤其涉及一種熱中子吸收隔離塊陶瓷材料 的制備方法，屬于材料科學領域。
【背景技術】
[0002] 熱中子反應堆高放射性核乏廢料在貯運過程中，不可避免的向環(huán)境釋放熱中子。 中子吸收材料可以吸收核乏廢料中釋放出的熱中子，維持核乏廢料在次臨界狀態(tài)，以保證 核乏廢料安全。
[0003] 硼是自然界資源豐富的元素，硼元素由于自身較高的熱中子吸收截面而具有良好 的熱中子吸收能力，其熱中子吸收截面為752b，并在較寬的中子能量范圍內服從1/V吸收 規(guī)律。硼吸收中子后，不會產(chǎn)生較大的剩余感生放射性。因此，核反應堆乏燃料貯運用中 子吸收材料常添加硼作為中子吸收元素。目前國內外常用的含硼中子吸收材料包括硼鋼、 B4CAl復合材料、硼鋁合金、含硼有機聚合物，而碳化硼的報道相對較少。
[0004] 由于硼在不銹鋼中的溶解度低，過量的硼加入會析出硼化物，導致熱延性大大降 低，而且制備高硼含量的硼鋼是非常困難的。而硼鋁合金類似于硼鋼，硼在鋁中的溶解度 非常低，僅有限量的硼與鋁合金化，且在晶界上形成富硼的硼化物，增加了材料的脆性。相 比于金屬材料，有機聚合物中子吸收材料更易遭受輻射損傷。長期輻照一般使聚合物的分 子量減少，軟化溫度下降，而溶解度增加，同時由于該類材料使用溫度通常有一定限度，因 此有機聚合物材料在高放射性的乏燃料貯存水池或運輸容器的應用中受到一定限制。對于 B4CAl復合材料，其研宄已經(jīng)超過40年，并且已被成功用作乏燃料貯運中子吸收材料，但存 在成本較高，燒結困難以及很難與基體材料熔融混合等問題，因此其制備工藝的完善及性 能的改進方面仍需要進一步的研宄。
[0005] 相比于上述幾種材料，碳化硼具有高熔點、高硬度、低密度以及良好的熱穩(wěn)定性及 耐蝕性等優(yōu)點，并且在中子輻照下結構穩(wěn)定，因此碳化硼常被用作固態(tài)中子吸收劑。但由于 碳化硼韌性差，過高的燒結溫度，抗氧化性差，對金屬的穩(wěn)定性較差，并且很難燒結致密等 缺點而大大限制了其應用，為改善碳化硼材料的使用，需要降低碳化硼的燒結溫度，并且提 高它的強度以及斷裂韌性，以及改善其抗氧化行為。碳化硅具有高溫強度高，高溫蠕變性小 以及抗氧化性好的優(yōu)點，為降低燒結溫度，改善碳化硼燒結困難，并提高碳化硼的致密性， 改善其力學性能，把碳化硼和碳化娃做成熱中子吸收復合材料是一種不錯的選擇。

【發(fā)明內容】

[0006] 本發(fā)明針對現(xiàn)有熱中子吸收隔離塊材料的不足，提供一種核乏廢料熱中子吸收隔 離塊陶瓷材料的制備方法。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案如下：一種熱中子吸收隔離塊陶瓷材料的制 備方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：
[0008] (1)取碳化硼80~90重量份，碳粉5~18重量份，燒結助劑1~5重量份作為原 料放入去離子水中，去離子水作為溶劑，瑪瑙球作為研磨介質，再向其中添加粘結劑和分散 劑，球磨混合5~20小時形成水基碳化硼漿料，所述粘結劑的重量是原料總量的0. 5%~ 1. 5%，所述分散劑的重量是原料總量的0. 5%~1. 5%，所述原料與去離子水的重量比為 1:1 ~7:3 ;
[0009] (2)將步驟（1)中所得的漿料放入干燥箱中于65°C恒溫干燥，將干燥后的粉體過 200目篩，采用酚醛樹脂溶液將過篩后的粉體進行手動造粒，造粒的粉體過60目篩，得碳化 硼復合粉體造粉粒，所述酚醛樹脂溶液的濃度為IOwt%，所述酚醛樹脂溶液的重量為粉體 重量的10% ;
[0010] (3)將步驟（2)中所得的復合粉體造粉粒于80~120Mpa下干壓成型，獲得碳化硼 陶瓷素還；
[0011] (4)將步驟（3)中所得的碳化硼陶瓷素坯放入反應燒結爐中，每100重量份陶瓷 素坯中加入1~3重量份的硅片進行真空滲硅反應燒結，制得反應燒結碳化硼陶瓷，真空燒 結過程為：低溫500~900°C，保持3~5小時，中溫900~1450°C，保持4~6小時，高溫 1450~1700°C，保持1~3小時，升溫速度5-10°C/min;
[0012] (5)步驟（4)中所得的碳化硼陶瓷塊經(jīng)機械加工、拋光處理，最終得到所需形狀和 尺寸的碳化硼基復合陶瓷材料。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：
[0014] (1)本方法制備得到的陶瓷塊不僅對熱中子吸收效率高，而且抗彎強度高，即具有 良好的韌性，彌補了碳化硼韌性差的缺點。
[0015] (2)采用去離子水作為溶劑進行球磨混料，不但能降低生產(chǎn)成本，還能保證生產(chǎn)過 程的安全，適于批量生產(chǎn)。
[0016] (3)球磨混合漿料中所添加的粘結劑和分散劑，可以保證水基碳化硼漿料即使在 固相含量較高的情況下，仍然保持較小的粘度、良好的流動性和穩(wěn)定性能，并且能夠滿足手 動造粒的工藝技術要求，從而制備出高質量碳化硼復合粉體造粉粒。
[0017] (4)真空滲硅反應燒結溫度為1500~1700°C，較傳統(tǒng)的熱壓燒結和無壓燒結工藝 具有下列特點：①在比無壓燒結或熱壓燒結時低得多的溫度和較短的時間下可以完成致密 化過程，這樣材料在高溫下發(fā)生的諸多不利反應與變化可以得到有效的抑制。例如，高溫分 解和晶粒的異常長大等。②具有制備復雜形狀、大尺寸部件的能力。③減小后加工成本，較 易獲得凈尺寸制品。
[0018] 在上述技術方案的基礎上，本發(fā)明還可以做如下改進。
[0019] 進一步，步驟（1)中所述燒結助劑為硼。
[0020] 進一步，步驟（1)中所述粘結劑為酚醛樹脂。
[0021] 進一步，步驟（1)中所述分散劑為聚丙烯酸。
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發(fā)明實施例1-3復合陶瓷樣品的XRD圖；
[0023] 圖2為本發(fā)明實施例1復合陶瓷樣品的SEM圖；
[0024]圖1中，（1)、實施例1 ; (2)、實施例2 ; (3)、實施例3 ;
【具體實施方式】
[0025] 以下結合實例對本發(fā)明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發(fā)明，并 非用于限定本發(fā)明的范圍。
[0026] 實施例1:
[0027] (1)取碳化硼800g、碳粉180g、硼20g放入去離子水中，去離子水作為溶劑，瑪瑙球 作為研磨介質，再向其中添加5g酚醛樹脂和IOg聚丙烯酸，球磨5小時獲得水基碳化硼漿 料；
[0028] (2)將步驟（1)中所得漿料置于干燥箱中65°C恒溫干燥10小時，將干燥后的粉體 過200目篩，過篩后的粉體使用質量濃度為10%的酷醛樹脂溶液100g進行手動造粒，造粒 后的粉體過60目篩，得碳化硼復合粉體造粉粒；
[0029] (3)將步驟（2)中所得的復合粉體造粉粒于120Mpa下干壓成型，獲得正六邊形 R57mm*15mm碳化硼陶瓷素還；
[0030] (4)將步驟（3)中所得的碳化硼陶瓷素坯放入反應燒結爐中，向其中加入20g硅 片進行真空滲硅反應，真空燒結過程為：升溫速度5°C/min，低溫900°C，保持4小時，中溫 1200°C，保持5小時，高溫1600°C，保持2小時，之后隨爐降溫；
[0031] (5)步驟⑷中所得的碳化硼陶瓷塊經(jīng)機械加工、拋光處理，最終得到所需正六邊 形R57mm*15mm的碳化硼基復