C/Al复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高体积分数B4C/A1复合材料及制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着核能的日益发展，乏燃料的贮存和运输过程中的安全成为人们关心的主要问 题之一。乏燃料是指在反应堆内烧过的核燃料，会以中子辐射为主，向周围环境产生大量辐 射，并对周围环境和人类产生巨大危害，同时，每年都有大量的乏燃料从核反应堆中卸出； 另一方面，我国核电工业的快速发展，也将导致乏燃料的大量产生，因此未来乏燃料的贮存 将朝着高密集化、长期化发展，这对乏燃料贮存格架材料提出了新的要求。因此选择具有优 秀的中子屏蔽性能和力学性能的材料作为乏燃料贮存格架材料是解决目前以及未来乏燃 料安全问题的最有效的方式。
[0003] 常用的中子屏蔽材料有硼钢、含硼聚乙烯板和B4CAl复合材料等。硼钢具有良好 的力学性能，但由于其含硼量有限，无法满足乏燃料高密度贮存的要求；含硼聚乙烯板由于 是树脂基材料，容易发生老化发脆，导致其使用寿命短。B 4CAl复合材料由于其低密度，良 好的力学性能，同时可以通过工艺调节B4C含量来提高吸收热中子的能力，使其成为优秀的 热中子屏蔽材料。国际上主要有两种B 4C/A1复合材料作为乏燃料贮存格架材料，即BORAL 和METAMIC。BORAL是将铝粉和碳化硼粉进行混合，放入铝合金箱中并焊好密封，通过热轧 的工艺制得上下层为铝薄板，中间层为均匀混合的碳化硼粉和铝粉的板材，虽然BORAL的 含碳化硼量可以达到65%，但其在使用过程中易发生起泡等现象。METAMIC也是将铝粉和 碳化硼粉进行混合，采用冷等静压、真空烧结和挤压等工艺制备而成，但其含碳化硼量没有 BORAL高（45wt% )，同时制备工艺复杂，对设备要求高。
[0004] 国内近些年对B4C/A1复合材料开始了大量研宄。专利号为CN102280156A，发明 名称为"一种铝基碳化硼中子吸收板的制备方法"中采用球磨的方式，将氧化后的铝粉、碳 化硼粉、钛粉、硅粉和硼酸晶体混合，采用粉末冶金及热挤压的方式制成B 4CAI复合材料板 材。但其含碳化硼量仅有30wt%，成本也较高。
[0005] 专利号为CN102392148A，发明名称为"一种铝基碳化硼中子吸收复合材料的制备 方法"中采用混粉、冷压制坯和烧结工艺制备了含碳化硼量30wt^^^B 4C/Al复合材料，同样 存在含碳化硼量低的问题。
[0006] 专利号为CN102094132A，发明名称为"B4C/A1复合材料制备方法"中，采用混粉、冷 压制坯、真空烧结和多次热轧的工艺制备了含B 4C量5%~35%的B4C/A1复合材料，但同样 存在含B4C低的问题。
[0007] 专利号为CN102110484B，发明名称为"一种乏燃料贮运用B4C/A1中子吸收板的制 备方法"中，同样采用混粉、冷压制还和烧结工艺制备了含l〇wt%~65?1:%的B 4C/A1复合 材料，并将其装入铝合金框架中焊接密封再进行热轧，最后制得B4C/A1中子吸收板。但当 含B 4C量超过50wt %时，材料的致密度和力学性能明显降低，无法满足乏燃料高密度贮存的 要求。
[0008] 从以上的研宄可以发现，B4C/A1复合材料由于其优秀的中子吸收性能，在乏燃料 屏蔽上具有非常广阔的应用前景，国内外对此的研宄也十分广泛，然而面对未来乏燃料贮 存高密集化、长期化的特点，提高B 4C含量对于B4CAl复合材料的发展是及其重要的。国内 外针对B4CAl复合材料的研宄，在制备方法上基本均选择粉末冶金工艺，这种工艺制备的 B4CVAl复合材料体积分数不能超过50 %，否则会出现因致密度不够而导致的材料力学性能 下降，进而无法满足结构材料的要求，因此如何选择合适的制备方法制备出高体积分数的 B4CAI复合材料是解决未来乏燃料贮存高密集化、长期化的一种有效的手段。
【发明内容】
[0009] 本发明是要解决现有的高碳化硼含量的B4CAl复合材料致密度低、力学性能差以 及在KKKTC以下碳化硼和铝液润湿性差的问题，而提供一种乏燃料贮存格架用高体积分数 B4C/A1复合材料及其制备方法。
[0010] 本发明一种乏燃料贮存格架用高体积分数B4C/A1复合材料按体积分数由55 %~ 75 %碳化硼和25 %~45 %铝或铝合金制成；所述碳化硼是粒径为17 μ m的碳化硼颗粒或所 述碳化硼是粒径为5 μπι的碳化硼颗粒和粒径为17 μπι的碳化硼颗粒的混合物。
[0011] 本发明一种乏燃料贮存格架用高体积分数B4c/Al复合材料的制备方法是按以下 步骤进行：
[0012] -、按体积分数称取55 %~75 %碳化硼和25 %~45 %铝或铝合金；所述碳化硼是 粒径为17 μ m的碳化硼颗粒或所述碳化硼是粒径为5 μ m的碳化硼颗粒和粒径为17 μ m的 碳化硼颗粒的混合物；
[0013] 二、将步骤一称取的55 %~75 %碳化硼在温度为35°C~50°C的干燥箱中干燥 24h~36h，得到干燥后的碳化硼；
[0014] 三、将步骤二得到的干燥后的碳化硼装入钢模具中，冷压制成胚体，然后连同钢 模具一起放入电炉中，将电炉内的温度从室温加热至500°C~700°C后在温度为500°C~ 700°C的条件下保温2h~6h，得到碳化硼预制体；
[0015] 四、将步骤一称取的25%~45%铝或铝合金在温度为700°C~900°C的条件下熔 炼4h~6h，得到熔液；
[0016] 五、采用压力浸渗将步骤四得到的熔液浇注并浸渗到步骤三得到的碳化硼预制体 的间隙中，在压力为30MPa~50MPa的条件下保压0. 5h~lh，随模冷却后，脱模得到B4C/ Al复合材料。
[0017] 本发明的有益效果是：
[0018] 本发明采用压力浸渗，其工艺简单，成本低；得到的B4CAl复合材料致密度高，解 决了目前国内外制备的高碳化硼含量的B 4CAI复合材料致密度低的问题，同时克服了在 KKKTC以下碳化硼和铝液润湿性差的难题；制备得到的B4CAl复合材料，具有优异的力学 性能，拉伸强度大于400MPa，弯曲强度大于800MPa，远超于国内外同等碳化硼含量的B 4C/A1 复合材料，同时具有优秀的中子吸收性能，采用MCNP计算，体积分数55%的B4CAl复合材 料不到Imm厚就能屏蔽99%以上的热中子，能够满足我国目前乃至未来，乏燃料贮存高密 集化、长期化的需求。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0019] 一：本实施方式一种乏燃料贮存格架用高体积分数B4C/A1复合材 料按体积分数由55%~75%碳化硼和25%~45%铝或铝合金制成；所述碳化硼是粒径为 17 μ m的碳化硼颗粒或所述碳化硼是粒径为5 μ m的碳化硼颗粒和粒径为17 μ m的碳化硼颗 粒的混合物。
[0020] 当本实施方式中所述的碳化硼是粒径为5 μπι的碳化硼颗粒 和粒径为17 μπι的碳化硼颗粒的混合物时，碳化硼的堆积密度公式为 / = 0.64/ [丨 _0 - (0.362 - 0.315(/，f7)A； + 0.955(//)4(X,2 / (卜 A；川，其中 μ 为粒径为 5 μ m 的 碳化硼颗粒的粒径与粒径为17 μ m的碳化硼颗粒的粒径比值，\为粒径为所述55 %~75% 碳化硼中17 μπι的碳化硼颗粒的质量分数。由公式计算可知，当B4CAl复合材料中碳化硼 的体积分数为55%时，所述碳化硼仅为粒径为17 μπι的碳化硼颗粒，当B4CAl复合材料中 碳化硼的体积分数高于55%时，所述碳化硼是粒径为5 μ m的碳化硼颗粒和粒径为17 μ m的 碳化硼颗粒的混合物。
[0021] 本实施方式得到的B4C/A1复合材料致密度高，解决了目前国内外制备的高碳化硼 含量的B 4CAl复合材料致密度低的问题，同时克服了在1000°C以下碳化硼和铝液润湿性差 的难题；制备得到的B4CAl复合材料，具有优异的力学性能，拉伸强度大于400MPa，弯曲强 度大于800MPa，远超于国内外同等碳化硼含量的B 4CAl复合材料，同时具有优秀的中子吸 收性能，采用MCNP计算，体积分数55 %的B4C/A1复合材料不到Imm厚就能屏蔽99%以上 的热中子，能够满足我国目前乃至未来，乏燃料贮存高密集化、长期化的需求。
【具体实施方式】 [0022] 二：本实施方式与一不同的是：一种乏燃料贮存格架 用高体积分数B 4CAl复合材料按体积分数由60%碳化硼和40%铝或铝合金制成。其他与 一相同。
【具体实施方式】 [0023] 三：本实施方式与一或二不同的是：一种乏燃料贮存 格架用高体积分数B 4CAl复合材料按体积分数由70%碳化硼和30%铝或铝合金制成。其 他与一或二相同。
【具体实施方式】 [0024] 四：本实施方式与一至三之一不同的是：所述铝合金 为Ixxx系错合金、2xxx系错合金、3xxx系错合金、4xxx系错合金、5xxx系错合金或6xxx系 铝合金。其他与一至三之一相同。
【具体实施方式】 [0025] 五：本实施方式一种乏燃料贮存格架用高体积分数匕(：/^1复合材料 的制备方法是按以下步骤进行：
[0026] -、按体积分数称取55 %~75 %碳化硼和25 %~45 %铝或铝合金；所述碳化硼是