专利名称：一种复合屏蔽材料及其制备方法
技术领域：
本发明属于复合屏蔽材料领域，尤其涉及用于核反应堆、乏燃料组件贮存及放射性物质贮运等核辐射场所的复合屏蔽材料及其制备方法。
背景技术：
在核反应堆、乏燃料组件贮存等领域产生的辐射中，特别要重视的屏蔽问题是中子辐射及穿透力大的Y辐射，产生中子辐射的领域一般都伴随着Y辐射，为了减少人体及设备所受到的照射，在屏蔽中子辐射的同时也应该屏蔽Y射线的照射。一般含氢量较高的石蜡、聚乙烯、聚丙烯等材料是优良的快中子慢化材料，含锂元素的氟化锂、溴化锂、氢氧化锂和含硼元素的氧化硼、硼酸和碳化硼等是优良的慢中子吸收物质，同时对快中子的屏蔽用钨效果也很好，因其IOcm厚度的材料对中子的屏蔽率可达93%。对Y辐射屏蔽较好的材料为铅、钨以及其他重金属等。这些材料及其复合材料已大量应用于各种核反应堆屏蔽系统并发挥相当重要的作用。目前使用较多的复合屏蔽材料为铅硼聚乙烯，该类材料的综合屏蔽效果较好，但由于材料是以聚合物为基体，因此其使用温度仅为80-100°C，力学性能也较差，一般为10MPa-20MPa，不能满足对耐热性及力学性能有较高要求的中子屏蔽领域的使用要求。Al-B4C兼具铝和碳化硼的优点，密度低，硬度高，热中子俘获截面高，价格低廉，韧性好，具有良好的机械力学性能和热中子吸收性能，自上世纪80年代以来，已受到辐射防护科研工作者的广泛重视。但Al-B4C的抗Y辐射性能较差，而且目前Al-B4CW制大多集中于Al-B4C复合材料的制备方面，有关其中子/Y辐射综合屏蔽性能的研究几乎没有。因此，急需进一步优化Al-B4C复合材料的综合屏蔽性能，以充分拓展其在核屏蔽领域的应用潜能。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明的目的在于提供一种具有中子辐射屏蔽性能和Y辐射屏蔽性能的复合屏蔽材料，而且能够根据中子和Y射线分布情况采用相应组分，其组分包括W及其化合物、B4C、铝或铝合金及其它元素。本发明中解决以上技术问题的一种复合屏蔽材料，其特征在于由下述重量百分比的组分组成0-30%的W或W的化合物，0-70%的B4C, 0-90%的铝或铝合金，0-8%的其它元素。所述W或W的化合物为W、WO3> W2O5或W2B5等。所述其它元素为T1、S1、Mg、Zr、V、Cr或其化合物、稀土元素。所述上述元素的化合物为TiB2、Ti02、Si02、Mg0、Zr02、V205、Cr203、Y203 或 La2O3 等。以B4C、铝或铝合金为主要材料，通过加入适量的W及其化合物大幅提高材料的Y射线屏蔽性能，加入少量的其它元素作为活性烧结剂，以改善B4C和铝的润湿性，控制其界面反应，提高材料的核辐射屏蔽性能及力学性能等综合性能。在已有B4C/A1中子屏蔽材料的基础上，引入具有优良Y辐射性能的W及其化合物，通过蒙特卡罗方法计算材料的屏蔽性能，优化复合材料成分，使B4C/A1复合材料同时具有优良的中子屏蔽性能和Y辐射屏蔽性能。制备一种复合屏蔽材料的方法，其特征在于步骤如下
步骤一、称取原料重量百分比0-30%的W或W的化合物；0-70%的B4C ；0-90%的铝或铝合金；0-8%的其它元素；
步骤二、混合各组成物料，装入球磨罐中进行球磨，球磨罐中注入氩气作为保护气氛，球磨时间2-25h，球磨后得到混合粉末；
步骤三、混合粉末装入软模后采用冷等静压成型，压力为100-270MPa，时间5_60min ；软模的材料为PVC，根据样品的形状、大小，将PVC做成模具进行冷等静压成型。步骤四、将冷压坯进行热等静压烧结，热等静压气体为氩气，温度为680_120(TC，压力为 30-150MPa，时间为 0_180min ；
步骤五、将热等静压后的材料经脱模后即得复合屏蔽材料。球磨罐为不锈钢球磨罐，磨球为硬质合金球。硬质合金球的主要成分是WC，B4C/Al复合材料中同样含有W，因此，选用硬质合金作为磨球可以减少杂质元素的引入。球磨及热等静压时以氩气为气体介质，可防止铝与其它金属的氧化。由于碳化硼与铝需在1200°C左右的高温下才能良好的润湿，而在该温度范围内，铝与B4C在界面上会生成较 多的Al4C3脆性相，降低界面结合强度，且高温下铝合金熔液容易挥发，造成原材料浪费，对实验设备也有一定危害。因此，如何有效降低复合材料的反应温度、控制界面反应特别是控制高温脆性相的生成是本发明的技术难点。本发明采用热等静压技术制备粉末冶金B4C/铝合金，解决B4C与Al在低温难以润湿的问题，大大降低烧结温度(可将烧结温度降低到稍高于Al的熔点)，减小界面反应速率，避免有害相生成，有效的控制复合材料界面相结构，优化复合材料的力学性能。本发明为满足核辐射屏蔽领域对屏蔽材料在综合屏蔽性能方面的要求，研制了一种具有良好的中子辐射屏蔽性能和Y辐射屏蔽性能的复合屏蔽材料，而且能够根据中子和Y射线分布情况采用相应组分的复合屏蔽材料。采用上述工艺制备的含钨B4C/铝合金复合屏蔽材料W2B5及B4C分布均匀，致密化程度高，强度和韧性良好，特别适用于中子/ Y射线屏蔽领域。本发明的复合屏蔽材料具有良好的中子辐射屏蔽性能和Y辐射屏蔽性能，而且可以根据中子和Y射线分布情况采用相应组分的复合材料。较传统的复合屏蔽材料相比，对中子辐射屏蔽有好的性能，同时对Y辐射屏蔽性能提高5-20%或更多。
具体实施例实施例1
称取原料重量百分比WO3 15%, B4C 15%的，铝合金67%，Ti 3% ;将各组成物料按配方混合,装入不锈钢球磨罐中进行球磨,采用YG8硬质合金球，球磨时间24h ;球磨后的粉料装入软模进行冷等静压成型，冷等静压压力为250MPa，温度18°C、时间lOmin。将冷压坯装入包套密封后热等静压烧结，热等静压气体为氩气，热等静压温度为900°C，热等静压压力为120MPa，热等静压保温时间为lh。将热等静压后的材料脱模后即可制备出含gB4C/Al复合屏蔽材。实施例2
称取原料重量百分比W0325%，B4C 10%的，Al 60%, Ti025% ;将各组成物料按配方混合，装入不锈钢球磨罐中进行球磨，采用硬质合金球，球磨时间24h ;球磨后的粉料装入软模进行冷等静压成型，冷等静压压力为200MPa，温度25°C、时间20min。将冷压坯装入包套密封后热等静压烧结，热等静压气体为氩气，热等静压温度为800°C，热等静压压力为80MPa，热等静压保温时间为3h。将热等静压后的材料脱模后即可制备出含gB4C/Al复合屏蔽材料。实施例3
称取原料重量百分比W035%，B4C 20%的，Al 72%, Cr3% ;将各组成物料按配方混合，装入不锈钢球磨罐中进行球磨，采用硬质合金球，球磨时间22h ;球磨后的粉料装入软模进行冷等静压成型，冷等静压压力为180MPa，温度20°C、时间30min。将冷压坯装入包套密封后热等静压烧结，热等静压气体为氩气，热等静压温度为680°C，热等静压压力为140MPa，热等静压保温时间为lh。将热等静压后的材料脱模后即可制备出含gB4C/Al复合屏蔽材料。实施例4
按重量百分比W2B5 10% ；B4C 45%的；招合金40%;Si02 5%称取原料。将各组成物料按配方混合，装入不锈钢球磨罐中进行球磨，采用YG8硬质合金球，球磨时间24h ;球磨后的粉料装入软模进行冷等静压成型，冷等静压压力为250MPa，温度22°C、时间5min。将冷压坯装入包套密封后热等静压烧结，热等静压气体为氩气，热等静压温度为800°C，热等静压压力为lOOMPa，热等静压保温时间为lh。将热等静压后的材料脱模后即可制备出含钨B4C/铝合金复合屏蔽材料。采用上述工艺制备的含钨B4C/铝合金复合屏蔽材料W2B5及B4C分布均匀，致密化程度高，强度 和韧性良好，特别适用于中子/Y射线屏蔽领域。实施例5
称取原料重量百分比W2B55%，B4C 25%的，Al 67%,稀土 3% ;将各组成物料按配方混合，装入不锈钢球磨罐中进行球磨，采用硬质合金球，球磨时间23h ;球磨后的粉料装入软模进行冷等静压成型，冷等静压压力为150MPa，温度24°C、时间40min。将冷压坯装入包套密封后热等静压烧结，热等静压气体为氩气，热等静压温度为700°C，热等静压压力为150MPa，热等静压保温时间为1. 5h。将热等静压后的材料脱模后即可制备出含钨B4C/A1复合屏蔽材料。实施例6
称取原料重量百分比W2B525%，B4C10%的，Al 60%, Mg05% ;将各组成物料按配方混合，装入不锈钢球磨罐中进行球磨，采用硬质合金球，球磨时间20h ;球磨后的粉料装入软模进行冷等静压成型，冷等静压压力为150MPa，温度23°C、时间50min。将冷压坯装入包套密封后热等静压烧结，热等静压气体为氩气，热等静压温度为1100°C，热等静压压力为lOOMPa，热等静压保温时间为2. 5h。将热等静压后的材料脱模后即可制备出含钨B4C/A1复合屏蔽材料。实施例7
称取原料重量百分比WO3 15%, B4C 30%的，铝合金50%，Ti 5% ;将各组成物料按配方混合，装入不锈钢球磨罐中进行球磨，采用YG8硬质合金球,球磨时间15h ;球磨后的粉料装入软模进行冷等静压成型，冷等静压压力为250MPa，温度24°C、时间60min。将冷压坯装入包套密封后热等静压烧结，热等静压气体为氩气，热等静压温度为900°C，热等静压压力为120MPa，热等静压保温时间为lh。将热等静压后的材料脱模后即可制备出含gB4C/Al复合屏蔽材。实施例8
称取原料重量百分比W 30%, B4C 30%的，Al 32%, TiB28% ;将各组成物料按配方混合，装入不锈钢球磨罐中进行球磨，采用硬质合金球，球磨时间IOh ;球磨后的粉料装入软模进行冷等静压成型，冷等静压压力为270MPa，温度19°C、时间15min。将冷压坯装入包套密封后热等静压烧结，热等静压气体为氩气，热等静压温度为1000°C，热等静压压力为90MPa，热等静压保温时间为2h。 将热等静压后的材料脱模后即可制备出含gB4C/Al复合屏蔽材料。实施例9
称取原料重量百分比W2%，B4C 68%的，Al 23%, Zr7% ;将各组成物料按配方混合，装入不锈钢球磨罐中进行球磨，采用硬质合金球，球磨时间2h ;球磨后的粉料装入软模进行冷等静压成型，冷等静压压力为270MPa，温度22°C、时间20min。将冷压坯装入包套密封后热等静压烧结，热等静压气体为氩气，热等静压温度为1200°C，热等静压压力为30MPa，热等静压保温时间为3h。将热等静压后的材料脱模后即可制备出含gB4C/Al复合屏蔽材料。实施例10
称取原料重量百分比W20530%，B4C 50%的，Al 15%, Zr025% ;将各组成物料按配方混合，装入不锈钢球磨罐中进行球磨，采用硬质合金球，球磨时间22h ;球磨后的粉料装入软模进行冷等静压成型，冷等静压压力为150MPa，温度23°C、时间25min。将冷压坯装入包套密封后热等静压烧结，热等静压气体为氩气，热等静压温度为900°C，热等静压压力为lOOMPa，热等静压保温时间为2h。将热等静压后的材料脱模后即可制备出含gB4C/Al复合屏蔽材料。实施例11
称取原料重量百分比W2056%，B4C 15%的，Al 75%, V2054% ;将各组成物料按配方混合，装入不锈钢球磨罐中进行球磨，采用硬质合金球，球磨时间25h ;球磨后的粉料装入软模进行冷等静压成型，冷等静压压力为120MPa，温度25°C、时间30min。将冷压坯装入包套密封后热等静压烧结，热等静压气体为氩气，热等静压温度为850°C，热等静压压力为250MPa，热等静压保温时间为lh。将热等静压后的材料脱模后即可制备出含gB4C/Al复合屏蔽材料。实施例12
称取原料重量百分比W2050%，B4C 50%的，Al 45%, V5% ;将各组成物料按配方混合，装入不锈钢球磨罐中进行球磨，采用硬质合金球，用无水乙醇作为球磨介质，球磨时间25h ；球磨后的粉料装入软模进行 冷等静压成型，冷等静压压力为120MPa。将冷压坯装入包套密封后热等静压烧结，热等静压气体为氩气，热等静压温度为750°C，热等静压压力为250MPa，热等静压保温时间为lh。将热等静压后的材料脱模后即可制备出含钨B4C/A1复合屏蔽材料。实施例13称取原料重量百分比W 3%, B4C 5%的，Al 90%, Cr2032% ;将各组成物料按配方混合，装入不锈钢球磨罐中进行球磨，采用硬质合金球，球磨时间22h ;球磨后的粉料装入软模进行冷等静压成型，冷等静压压力为200MPa，温度22°C、时间20min。将冷压坯装入包套密封后热等静压烧结，热等静压气体为氩气，热等静压温度为1000°C，热等静压压力为90MPa，热等静压保温时间为2h。将热等静压后的材料脱模后即可制备出含gB4C/Al复合屏蔽材料。实施例14
称取原料重量百分比W 10%, B4C70%的，Al 17%, Y2033% ;将各组成物料按配方混合，装入不锈钢球磨罐中进行球磨，采用硬质合金球，球磨时间22h ;球磨后的粉料装入软模进行冷等静压成型，冷等静压压力为220MPa，温度25°C、时间25min。将冷压坯装入包套密封后热等静压烧结，热等静压气体为氩气，热等静压温度为900°C，热等静压压力为120MPa，热等静压保温时间为2h。将热等静压后的材料脱模后即可制备出含钨B4C/A1复合屏蔽材料性能指标
表I含WO3 B4C/A1复合材料的成分及屏蔽性能
权利要求
1.一种复合屏蔽材料，其特征在于由下述重量百分比的组分组成0-30%的W或W的化合物，0-70%的B4C,0-90%的铝或铝合金，0-8%的其它元素。
2.根据权利要求1所述的一种复合屏蔽材料，其特征在于所述W或W的化合物为W、 TO3、W205 *W2B5。
3.根据权利要求1所述的一种复合屏蔽材料，其特征在于所述其它元素为T1、S1、Mg、 Zr、V、Cr或其化合物、稀土元素。
4.根据权利要求3所述的一种复合屏蔽材料，其特征在于所述其它元素的化合物为 TiB2、Ti02、Si02、MgO、ZrO2> V2O5> Cr2O3> Y2O3 或 La203。
5.制备一种复合屏蔽材料的方法，其特征在于步骤如下步骤一、称取原料重量百分比0-30%的W或W的化合物；0-70%的B4C ；0-90%的铝或铝合金；0-8%的其它元素；步骤二、混合各组成物料，装入球磨罐中进行球磨，球磨罐中注入氩气作为保护气氛， 球磨时间2-25h，得到混合粉末；步骤三、混合粉末装入软模后采用冷等静压成型，压力为100-270MPa，时间5_60min ；步骤四、将冷压坯进行热等静压烧结，热等静压气体为氩气，温度为680-1200°C，压力为 30-150MPa,时间为 20_180min ；步骤五、热等静压后的材料经脱模后即得复合屏蔽材料。
6.根据权利要求5中所述的一种复合屏蔽材料的方法，其特征在于所述球磨罐为不锈钢球磨罐，磨球为硬质合金球。
全文摘要
本发明涉及一种复合屏蔽材料及其制备方法，特别涉及用于核反应堆、乏燃料组件贮存及放射性物质贮运等核辐射场所的复合屏蔽材料。其特征在于所述复合屏蔽材料包括下述组分0-30wt%的W及其化合物；0-70wt%的B4C；0-90wt%的铝或铝合金；0-8wt%的其它元素等。本发明中的含钨B4C/铝合金复合屏蔽材料W2B5及B4C分布均匀，致密化程度高，强度和韧性良好，特别适用于中子/γ射线屏蔽领域。
文档编号C22C1/05GK103045916SQ20121057072
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月26日 优先权日2012年12月26日
发明者张鹏程, 庞晓轩, 王伟 申请人:四川材料与工艺研究所