一种氧化钆陶瓷及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种氧化钆陶瓷及其制备方法，具体涉及一种利用氧化气氛无压烧结致密氧化钆陶瓷的制备方法，属于核工业防护材料技术领域。
【背景技术】
[0002]在核反应堆堆芯组件中，中子吸收材料是仅次于燃料元件的重要功能元件。常用的吸收材料包括B4C、硼钢、Ag-1n-Cd合金等，其中，碳化硼和硼钢等硼材料的应用比例非常大。然而，由于kiB发生(η，α)反应，含硼材料在辐照时产成氦气，形成氦泡，引起膨胀，导致材料失效，限制了含硼材料的应用。
[0003]稀土元素中的许多元素对热中子的吸收截面比目前常用的硼和镉高出几十倍，并且对慢中子和中能中子的反应截面也比后者高出许多，对高能中子的反应截面也比铬高。例如镧系稀土元素钆的两种同位素155Gd和157Gd具有极大的热中子吸收截面，前者为61000barn，后者为254000barn，平均吸收截面为36300barn ;钆不仅热中子吸收截面大，第一激发态的能量也很低，较容易与中子发生非弹性散射，使中子较快得到慢化，将其掺入复合材料中可极大提高材料的中子屏蔽性能，因此是一种重要的中子吸收材料。
[0004]现阶段对钆优良的中子吸收性能的应用主要集中在将金属钆掺杂在合金中或将氧化钆加入高分子基体中。美国爱达荷州国家实验室研宄了一种抗腐蚀的镍一铬一钼一礼合金中子吸收材料(Kenneth D Kok.Nuclear engineering handbook [Μ].New York: CRCPress，2009)。礼不锈钢合金又是一种由美国能源部资助研宄的中子吸收材料(Du Pont JN, Robino C V, M izia R E.Development of Gelenriched alloys for spent nuclear fuelapplicat1ns.Part I!Preliminary characterizat1n of small scale Gd—enrichedstainless steels [J].J Mater Eng Perform, 2003, 2(2):206)。礼在不锈钢或镇基金属中没有溶解性，在晶界上易形成一种富钆的第二相共晶产物(Ni，Cr)Gd，热轧易产生第二相，并引起各向异性。彭凤梅等(彭凤梅.复合材料对14MeV中子源屏蔽的M-C模拟研宄[D].东华理工大学，2012.)将氧化钆掺入复合材料中极大提高了材料的中子屏蔽性能。氧化钆陶瓷具有机械强度高，耐磨性、耐腐蚀性好，热稳定性能优良等优点，但氧化钆陶瓷作为中子吸收材料这方面的研宄还比较少。
[0005]但是，在前期的研宄中发现，纯的氧化钆陶瓷，即使达到高的致密度，在热水中长时间浸泡仍然会发生水解，影响其使用范围。因此，对氧化钆陶瓷进行改善，克服上述问题，具有重要意义。
【发明内容】
[0006]针对现有技术的不足，本发明提供一种氧化钆陶瓷及其制备方法。
[0007]术语说明:
[0008]d5Q:也叫中位径或中值粒径，是指粉体材料的累积粒度分布百分数达到50%时达到的粒径。
[0009]本发明技术方案如下:
[0010]一种氧化钆陶瓷，由以下质量份的原料组成制得:
[0011 ] 氧化钆粉体95?99.5份和钇铝石榴石0.5?5份；
[0012]或者，氧化钆粉体95?99.5份和氧化钛0.5?5份；
[0013]或者，氧化钆粉体95?99.5份和氧化铝0.5?5份。
[0014]根据本发明，优选的，所述的氧化钆陶瓷，由以下质量份的原料组成制得:
[0015]氧化钆粉体96?98份和钇铝石榴石2?4份；
[0016]或者，氧化礼粉体98?99份和氧化钛I?2份；
[0017]或者，氧化钆粉体98?99份和氧化铝I?2份。
[0018]根据本发明，优选的，所述的氧化钆粉体，Gd2O3含量彡98%, d50^ 3μπι ；
[0019]所述的钇铝石榴石，Y3Al5O12含量彡95%, d50^ 5μπι;
[0020]所述的氧化钛，T12含量彡98%, d50^ 3μπι；
[0021]所述的氧化铝，Al2O3含量彡98%，K 3 μ m，均为质量百分比含量。
[0022]本发明所用原料，均为市售常用原料。
[0023]根据本发明，上述氧化钆陶瓷制备方法，步骤如下:
[0024](I)按质量份，按如下三种方案之一配料:
[0025]氧化钆粉体95?99.5份和钇铝石榴石0.5?5份；
[0026]或者，氧化钆粉体95?99.5份和氧化钛0.5?5份；
[0027]或者，氧化钆粉体95?99.5份和氧化铝0.5?5份；
[0028]以无水乙醇为介质，以氧化锆球石为研磨介质，球磨混合2?5h，将球磨混合的料浆在真空环境下烘干，得混合粉体；
[0029](2)将步骤(I)制得混合粉体添加粘结剂，在15?30MPa预压成型，然后在100?ISOMPa压力下等静压成型，得成型坯体；
[0030](3)将步骤(2)得到的成型坯体干燥，升温至1400?1650°C，在氧化气氛下，保温烧结15?120min，自然冷却，即得氧化钆陶瓷。
[0031]根据本发明，优选的，步骤⑵中所述的粘结剂为浓度为5?七％的PVA溶液，粘结剂的添加量为混合粉体总质量的5%。；
[0032]优选的，预压成型的压力为30MPa，等静压成型的压力为180MPa。
[0033]根据本发明，优选的，步骤(3)中所述的保温烧结的温度为1550°C，保温烧结时间为 60min ；
[0034]优选的，升温的速率为:1000°C以下 10-20°C /min, 1000°C之上为 5_10°C /min。
[0035]本发明的原理:
[0036]本发明为了解决纯的氧化钆陶瓷在热水中长时间浸泡仍然会发生水解的问题，采取向氧化钆陶瓷基体中加入一定量的钇铝石榴石、氧化铝或氧化钛，使水解现象加以改善。氧化铝或者氧化钛的加入，可以生成一部分铝酸钆或者钛酸钆相，均匀地分布在氧化钆陶瓷基体中。第二相的存在，一是使两相界面上的熔点降至共熔点，促进物质传输，使陶瓷更加致密，二是起粘结作用，填充内部气孔，阻止水分子浸入陶瓷内部，从而改善水解现象。钇铝石榴石的加入作用和氧化铝或者氧化钛类似。
[0037]本发明的有益效果如下:
[0038]1、本发明的氧化钆陶瓷具有高的相对密度、高的钆含量、高的中子吸收能力等特点。
[0039]2、本发明通过在原料中加入一定量钇铝石榴石、氧化钛、氧化铝等添加剂，有效解决了氧化钆陶瓷在热水中长期浸泡易粉化的问题，提高了其对环境的适应能力。
[0040]3、氧化钆陶瓷相较于其他复合材料可以承受较高的温度，扩展其应用范围，可用于制作核反应堆中的控制棒、调节棒、事故棒、安全棒、屏蔽棒等中子吸收材料。将其做成陶瓷坩祸，可用于放射性物质的熔融冶炼。还可以作为靶材溅射在玻璃等物体表面，广泛应用于各种需要屏蔽中子辐射的场所。
[0041]4、本发明所述的制备方法工艺简单、易操作，便于工业化生产。
【附图说明】
[0042]图1为本发明实施例1所制得的样品的X射线衍射图谱；横坐标是2Θ (° )，纵坐标是强度(任意单位)。
[0043]图2为本发明实施例1所制得的样品断口的SEM照片。
【具体实施方式】
[0044]下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明所保护范围不限于此。
[0045]原料的纯度(含量)情况如下，均为质量百分含量:
[0046]实施例中所述的氧化钆含量多98%，钇铝石榴石含量多95%，氧化钛含量彡98%，氧化铝含量彡98%，均市场购买，中位径d5(l< 3ym。
[0047]实施例中所得氧化钆陶瓷产品的性能测定方法如下:
[0048]1、通过X射线衍射图(XRD)测试所得氧化钆陶瓷的晶相。
[0049]2、采用扫描电子显微镜(SEM)观察分析氧化钆陶瓷的断口微观形貌
[0050]3、压缩强度，根据“工程陶瓷压缩强度试验方法”测定(GB8489 — 87)。
[0051]4、弯曲强度，根据“工程陶瓷弯曲强度试验方法”测定(GB6569 — 86)。
[0052]5、烧结样品的体积密度根据阿基米德原理，采用排水法测定。相对密度为所测体积密度占理论密度的百分数。
[0053]实施例1:
[0054]氧化钆陶瓷的具体原料组分如下:氧化钆98份，钇铝石榴石2份。
[00