一种铜基中子吸收材料的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种铜基中子吸收材料的制备方法，具体采用放电等离子烧结技术对混合粉末材料施加脉冲电流使颗粒之间产生焦耳热以及尖端放电等离子体，使颗粒之间局部熔化形成冶金结合连接；制备的过程中所使用的化学材料主要包括：铜粉、碳化硼粉、无水乙醇、盐酸、氢氟酸、去离子水、石墨纸、砂纸、金刚石研磨膏，制备包括：预处理铜粉、预处理碳化硼粉、称配原料、球磨混料、装填粉料、预压模具、放电等离子烧结制备过程、清洁样品表面、检测分析样品等步骤。制得的铜基中子吸收材料致密度可达99%以上，铜基中子吸收材料内部碳化硼弥散分布，抗弯强度可达350±5MPa，中子吸收性能可达98%。
【专利说明】
_种铜基中子吸收材料的制备方法
技术领域
[0001]本
【发明内容】
为一种铜基中子吸收材料的制备方法，属于材料加工制备及应用技术领域。
【背景技术】
[0002]中子吸收材料广泛应用于核工业中，目前常用的中子吸收材料主要是一些具有高热中子及超热中子吸收截面的金属，非金属，以及其化合物，比如常用的元素硼、镉、银等。银因为价格昂贵通常不制成中子吸收材料而往往制成控制棒使用。镉虽然具有优异的中子吸收性能，但由于其储量少，价格高且具有毒性，因而近几十年内逐渐被淘汰。硼是自然界储量丰富的元素，天然硼有两种稳定同位素B1t3和B11，硼元素具有中子吸收作用的是的热中子吸收截面为3837b，并能在较宽的中子能量范围内服从1/V吸收规律;B11的热中子吸收截面只有0.005b)。硼吸收中子后，只产生软γ光子(约0.5MeV)和很容易被吸收的α粒子，没有大的剩余感生放射性，因而核反应堆常采用含硼元素的材料(例如B4C)来吸收中子。目前，应用较为成熟的中子吸收材料有铝基碳化硼、硼钢等。铝基碳化硼材料由于其基体为铝及铝合金因而不能耐高的温度以及一些腐蚀性环境;硼钢虽然耐热温度较高但是由于硼在钢中固溶度很低，且铁硼相(Fe2B、FeB)会在铁素体晶界上析出从而显著降低基体的加工性能和力学性能。
【发明内容】
[0003]为了解决现有技术中存在的问题，本发明以满足核工业的需求为目的，提供了一种铜基中子吸收材料的制备方法。
[0004]技术方案
本发明采用的技术方案为:一种铜基中子吸收材料的制备方法，采用放电等离子烧结技术对混合粉末材料施加脉冲电流使颗粒之间产生焦耳热以及尖端放电等离子体，使颗粒之间局部熔化形成冶金结合连接;所使用的化学材料为:铜粉、碳化硼粉、无水乙醇、盐酸、氢氟酸、去离子水、石墨纸、砂纸、金刚石研磨膏，其用量单位为:克、毫升、毫米(以下)
铜粉:Cu50.066g±0.01g 碳化硼粉:B4C6.194g±0.01g 无水乙醇:C2H5OH2OO111L 土 5mL 盐酸:HCll 5mL±5mL 氢氟酸:HF200mL±5mL 去离子水:H20500mL± 5mL 石墨纸:C 砂纸:SiC400#
金刚石研磨膏:Cl.5mL 制备步骤如下: ⑴预处理铜粉
将铜粉置于真空炉中进行烘干处理lh，处理温度100°C ;
⑵预处理碳化硼粉
①将碳化硼粉放入氢氟酸中酸洗处理0.5h;
②将碳化硼粉取出并用去离子水反复冲洗至溶液呈中性；
③将碳化硼置于烘干箱内烘干处理2h，处理温度300V ；
(3)称配原料
在真空手套箱中称取粉料后进行装配，以避免粉料氧化，按碳化硼与铜的体积比为3:7比例进行配比，称取6.194±0.00Ig碳化硼和50.066±0.00Ig铜粉一并装入球磨罐中，放入氧化错球密封；
⑷球磨混料
将装配好的球磨罐安装到球磨机上将转速调整为200rpm，球磨60min;
(5)装填粉料
剪取四片直径为30mm的石墨纸圆片，其中两片预先装入模具底部压实，在真空手套箱内:将球磨罐打开，将混合好的混合粉体装入模具中，最后将另外两片石墨纸置于混合粉体上方，压上压头，将装好混合粉体的石墨模具从真空手套箱取出；
(6)预压模具
将装有混合粉体的石墨模具放到压力机上预压成型，压力20MPa，时间5min，以使混合粉体致密成型；
(7)放电等离子烧结制备过程
①开启控制设备并检查仪器；
②设定加热程序及加压参数:从室温到4000C，时间5min； 400°C-600°C，时间5min ； 6000C -650 °C，时间 2min; 650 °C保温5min ；
③将预压好的石墨模具放入炉体内，并用上下压头加持稳固，在放电等离子烧结炉内，设置有石墨压头，石墨压头上方设置压力传感器，用于检测石墨压头对石墨模具的压力情况，设置放电等离子烧结炉压头对石墨模具的压力为40MPa;
④关闭炉门，并开启真空栗，使真空度<10—1Pa;
⑤开启加热程序，同时通过观察镜持续观察炉内情况；
⑥加热结束，冷却，开炉，取出样品；
(8)清洁样品表面
用砂纸打磨掉样品表面残存的石墨，打磨后用无水酒精清洗样品；
(9)检测分析样品
对制得的铜基中子吸收材料的表面形貌、物理性能、微纳力学性能、弯曲力学性能、中子吸收性能进行检测分析与表征:
采用阿基米德排水法测量铜基中子吸收材料致密度；
采用金相显微镜观察铜基中子吸收材料微观形貌；
采用扫描电镜观察微观组织以及断口形貌；
采用纳米压痕仪测量铜基中子吸收材料微区硬度和弹性模量；
采用万能拉伸试验机测试铜基中子吸收材料的弯曲力学性能； 采用中子发射仪测试铜基中子吸收材料的中子吸收性能；
结论:铜基中子吸收材料外貌颜色为黄橙色，呈现金属光泽，致密度可达99%以上，铜基中子吸收材料内部碳化硼弥散分布，没有发生大量团聚现象并且颗粒和基体之间结合良好，抗弯强度可达350 土 5MPa，中子吸收性能可达98%。
[0005]本发明针对当前技术背景以先进的技术结合核工业的实际需求，采用以铜为基体，碳化硼为中子吸收体结合放电等离子烧结技术制备出具有优良力学性能，高导热性能，高中子吸收性能的能够应用于更广泛更严苛环境的中子吸收材料。采用放电等离子烧结技术，在电场，温度场以及力场的综合作用下，使碳化硼颗粒均匀的弥散在铜基体中，真空条件下可以有效地防止材料氧化，脉冲电场使颗粒之间产生局部高温并熔化材料表面，从而使得颗粒之间结合更加紧密，在加热与加压的作用下材料致密度进一步提高。
[0006]材料抗弯强度可达350 ±5MPa，中子吸收率可达98%，颗粒分布均匀结合紧密，将B4C颗粒加入到铜及铜合金的基体中，凭借铜优良的塑性和导热性，获得了理想的力学性能、加工性能以及导热性能，可以制备成满足不同防护强度的板材或者构件，并应用于核电乏燃料的干、湿式贮存以及承载结构的屏蔽应用领域。铜基中子吸收材料具有较高的强度、耐磨性和优异的塑性，优良的导电性和导热性，在大气、海水等许多介质中具有良好的耐蚀性以及较低的热中子吸收截面。在有效吸收中热子的同时保持尺寸的稳定性；由于铜及铜合金具有优良的导热性，因而在带有冷却系统的乏燃料存储隔架内使用时可以耐受相对于铝，镁合金更高的温度，同时又由于其塑性良好且具有较高的弹性模量，因此在挤压乳制成型以及作为工程承载结构件时相对更加容易以及安全。
【附图说明】
[0007]图1、放电等离子烧结炉原理示意图
图2、铜基中子吸收材料横切面金相显微组织图图3、铜基中子吸收材料纵切面扫描电镜显微组织形貌图图4、铜基中子吸收材料线扫描分析图图5、铜基中子吸收材料弯曲应力应变曲线图中标记项目清单如下:
1.伺服电机、2.上压头、3.石墨压头、4.石墨模具、5.热电偶、6.控制面板、7.控制按钮、
8.控制电控柜、9.下压头、10.设备基座、11.真空栗、12.真空抽气管、13.烧结粉体、14.第一片石墨纸、15.第二片石墨纸、16.真空炉体、17.冷却水进水管、18.冷却水出水管、19.水温显示屏、20.水栗控制按钮。
[0008]【具体实施方式】:
以下将结合如下附图进一步详细说明；
图1所示为放电等离子烧结炉原理示意图，各个部位连接要正确，按量配比，按序操作。铜基中子吸收材料是采用放电等离子烧结方法制成的，是在电场，热场以及力场的共同作用下以低于材料熔点的温度烧结可以破除颗粒表面氧化层、净化材料以及避免晶粒长大，从而使烧结体保持优良的力学性能以及良好的颗粒弥散性，放电等离子烧结炉为立式结构，如图1所示其结构分别为1.伺服电机、2.上压头、3.石墨压头、4.石墨模具、5.热电偶、
6.控制面板、7.控制按钮、8.控制电控柜、9.下压头、10.设备基座、11.真空栗、12.真空抽气管、13.烧结粉体、14.第一片石墨纸、15.第二片石墨纸、16.真空炉体、17.冷却水进水管、18.冷却水出水管、19.水温显示屏、20.水栗控制按钮。
[0009]制备使用的化学物质的量已经过预先设计考虑均在范围之内，以克、毫升、毫米为计量单位。
[0010]图2所示，为铜基中子吸收材料横切面金相显微组织图，如图所示:铜基体中均匀弥散分布这碳化硼颗粒，并没有出现颗粒团聚的现象。
[0011]图3所示，为铜基中子吸收材料纵切面扫描电镜显微组织形貌图，如图所示:铜基体之间结合良好，颗粒均匀分布，颗粒与基体之间结合良好，没有出现气孔，裂纹等明显缺陷。
[0012]图4所示，为铜基中子吸收材料线扫描分析图，结果表明铜和碳化硼的结合界面元素过渡均匀。
[0013]图5所示，为铜基中子吸收材料拉伸曲线，铜基中子吸收材料弯曲强度为350±5MPa0
[0014]以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
【主权项】
1.一种铜基中子吸收材料的制备方法，其特征在于:采用放电等离子烧结技术对混合粉末材料施加脉冲电流使颗粒之间产生焦耳热以及尖端放电等离子体，使颗粒之间局部熔化形成冶金结合连接;所使用的化学材料为:铜粉、碳化硼粉、无水乙醇、盐酸、氢氟酸、去离子水、石墨纸、砂纸、金刚石研磨膏，其用量单位为:克、毫升、毫米(以下) 铜粉:Cu50.066g±0.01g 碳化硼粉:B4C6.194g±0.01g 无水乙醇:C2H5Off10mL 土 5mL 盐酸:HCll 5mL±5mL 氢氟酸:HF200mL±5mL 去离子水:H20500mL± 5mL 石墨纸:C 砂纸:SiC400# 金刚石研磨膏:Cl.5mL 制备步骤如下: ⑴预处理铜粉 将铜粉置于真空炉中进行烘干处理lh，处理温度100°C; ⑵预处理碳化硼粉 ①将碳化硼粉放入氢氟酸中酸洗处理0.5h; ②将碳化硼粉取出并用去离子水反复冲洗至溶液呈中性； ③将碳化硼置于烘干箱内烘干处理2h，处理温度300°C; (3)称配原料 在真空手套箱中称取粉料后进行装配，以避免粉料氧化，按碳化硼与铜的体积比为3:7比例进行配比，称取6.194±0.00Ig碳化硼和50.066±0.00Ig铜粉一并装入球磨罐中，放入氧化错球密封； ⑷球磨混料 将装配好的球磨罐安装到球磨机上将转速调整为200rpm，球磨60min; (5)装填粉料 剪取四片直径为30mm的石墨纸圆片，其中两片预先装入模具底部压实，在真空手套箱内:将球磨罐打开，将混合好的混合粉体装入模具中，最后将另外两片石墨纸置于混合粉体上方，压上压头，将装好混合粉体的石墨模具从真空手套箱取出； (6)预压模具 将装有混合粉体的石墨模具放到压力机上预压成型，压力20MPa，时间5min，以使混合粉体致密成型； (7)放电等离子烧结制备过程 ①开启控制设备并检查仪器； ②设定加热程序及加压参数:从室温到4000C，时间5min； 400 °C-600 °C，时间5min ； 6000C -650 °C，时间 2min; 650 °C保温5min ； ③将预压好的石墨模具放入炉体内，并用上下压头加持稳固，在放电等离子烧结炉内，设置有石墨压头，石墨压头上方设置压力传感器，用于检测石墨压头对石墨模具的压力情况，设置放电等离子烧结炉压头对石墨模具的压力为40MPa; ④关闭炉门，并开启真空栗，使真空度<10—1Pa; ⑤开启加热程序，同时通过观察镜持续观察炉内情况； ⑥加热结束，冷却，开炉，取出样品； (8)清洁样品表面 用砂纸打磨掉样品表面残存的石墨，打磨后用无水酒精清洗样品； (9)检测分析样品 对制得的铜基中子吸收材料的表面形貌、物理性能、微纳力学性能、弯曲力学性能、中子吸收性能进行检测分析与表征: 采用阿基米德排水法测量铜基中子吸收材料致密度； 采用金相显微镜观察铜基中子吸收材料微观形貌； 采用扫描电镜观察微观组织以及断口形貌； 采用纳米压痕仪测量铜基中子吸收材料微区硬度和弹性模量； 采用万能拉伸试验机测试铜基中子吸收材料的弯曲力学性能； 采用中子发射仪测试铜基中子吸收材料的中子吸收性能； 结论:铜基中子吸收材料外貌颜色为黄橙色，呈现金属光泽，致密度可达99%以上，铜基中子吸收材料内部碳化硼弥散分布，没有发生大量团聚现象并且颗粒和基体之间结合良好，抗弯强度可达350 土 5MPa，中子吸收性能可达98%。2.根据权利要求1所述的一种铜基中子吸收材料的制备方法，其特征在于:铜基中子吸收材料是采用放电等离子烧结方法制成的，是在电场，热场以及力场的共同作用下以低于材料熔点的温度烧结可以破除颗粒表面氧化层、净化材料以及避免晶粒长大，从而使烧结体保持优良的力学性能以及良好的颗粒弥散性，放电等离子烧结炉为立式结构，其结构包括伺服电机(I)、上压头(2)、石墨压头(3)、石墨模具(4)、热电偶(5)、控制面板(6)、控制按钮(7)、控制电控柜(8)、下压头(9)、设备基座(10)、真空栗(11)、真空抽气管(12)、烧结粉体(13)、第一片石墨纸(14)、第二片石墨纸(15)、真空炉体(16)、冷却水进水管(17)、冷却水出水管(18)、水温显示屏(19)、水栗控制按钮(20 )。
【文档编号】C22C9/00GK105950897SQ201610307340
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月1日
【发明人】王文先, 陈洪胜, 黄哲远, 崔泽琴, 闫志峰, 董鹏
【申请人】太原理工大学