一种热中子吸收隔离块陶瓷材料的制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种陶瓷材料的制备方法，尤其涉及一种热中子吸收隔离块陶瓷材料 的制备方法，属于材料科学领域。
【背景技术】
[0002] 热中子反应堆高放射性核乏废料在贮运过程中，不可避免的向环境释放热中子。 中子吸收材料可以吸收核乏废料中释放出的热中子，维持核乏废料在次临界状态，以保证 核乏废料安全。
[0003] 硼是自然界资源丰富的元素，硼元素由于自身较高的热中子吸收截面而具有良好 的热中子吸收能力，其热中子吸收截面为752b，并在较宽的中子能量范围内服从1/V吸收 规律。硼吸收中子后，不会产生较大的剩余感生放射性。因此，核反应堆乏燃料贮运用中 子吸收材料常添加硼作为中子吸收元素。目前国内外常用的含硼中子吸收材料包括硼钢、 B4CAl复合材料、硼铝合金、含硼有机聚合物，而碳化硼的报道相对较少。
[0004] 由于硼在不锈钢中的溶解度低，过量的硼加入会析出硼化物，导致热延性大大降 低，而且制备高硼含量的硼钢是非常困难的。而硼铝合金类似于硼钢，硼在铝中的溶解度 非常低，仅有限量的硼与铝合金化，且在晶界上形成富硼的硼化物，增加了材料的脆性。相 比于金属材料，有机聚合物中子吸收材料更易遭受辐射损伤。长期辐照一般使聚合物的分 子量减少，软化温度下降，而溶解度增加，同时由于该类材料使用温度通常有一定限度，因 此有机聚合物材料在高放射性的乏燃料贮存水池或运输容器的应用中受到一定限制。对于 B4CAl复合材料，其研宄已经超过40年，并且已被成功用作乏燃料贮运中子吸收材料，但存 在成本较高，烧结困难以及很难与基体材料熔融混合等问题，因此其制备工艺的完善及性 能的改进方面仍需要进一步的研宄。
[0005] 相比于上述几种材料，碳化硼具有高熔点、高硬度、低密度以及良好的热稳定性及 耐蚀性等优点，并且在中子辐照下结构稳定，因此碳化硼常被用作固态中子吸收剂。但由于 碳化硼韧性差，过高的烧结温度，抗氧化性差，对金属的稳定性较差，并且很难烧结致密等 缺点而大大限制了其应用，为改善碳化硼材料的使用，需要降低碳化硼的烧结温度，并且提 高它的强度以及断裂韧性，以及改善其抗氧化行为。碳化硅具有高温强度高，高温蠕变性小 以及抗氧化性好的优点，为降低烧结温度，改善碳化硼烧结困难，并提高碳化硼的致密性， 改善其力学性能，把碳化硼和碳化娃做成热中子吸收复合材料是一种不错的选择。
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有热中子吸收隔离块材料的不足，提供一种核乏废料热中子吸收隔 离块陶瓷材料的制备方法。
[0007] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种热中子吸收隔离块陶瓷材料的制 备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
[0008] (1)取碳化硼80~90重量份，碳粉5~18重量份，烧结助剂1~5重量份作为原 料放入去离子水中，去离子水作为溶剂，玛瑙球作为研磨介质，再向其中添加粘结剂和分散 剂，球磨混合5~20小时形成水基碳化硼浆料，所述粘结剂的重量是原料总量的0. 5%~ 1. 5%，所述分散剂的重量是原料总量的0. 5%~1. 5%，所述原料与去离子水的重量比为 1:1 ~7:3 ;
[0009] (2)将步骤（1)中所得的浆料放入干燥箱中于65°C恒温干燥，将干燥后的粉体过 200目筛，采用酚醛树脂溶液将过筛后的粉体进行手动造粒，造粒的粉体过60目筛，得碳化 硼复合粉体造粉粒，所述酚醛树脂溶液的浓度为IOwt%，所述酚醛树脂溶液的重量为粉体 重量的10% ;
[0010] (3)将步骤（2)中所得的复合粉体造粉粒于80~120Mpa下干压成型，获得碳化硼 陶瓷素还；
[0011] (4)将步骤（3)中所得的碳化硼陶瓷素坯放入反应烧结炉中，每100重量份陶瓷 素坯中加入1~3重量份的硅片进行真空渗硅反应烧结，制得反应烧结碳化硼陶瓷，真空烧 结过程为：低温500~900°C，保持3~5小时，中温900~1450°C，保持4~6小时，高温 1450~1700°C，保持1~3小时，升温速度5-10°C/min;
[0012] (5)步骤（4)中所得的碳化硼陶瓷块经机械加工、抛光处理，最终得到所需形状和 尺寸的碳化硼基复合陶瓷材料。
[0013] 本发明的有益效果是：
[0014] (1)本方法制备得到的陶瓷块不仅对热中子吸收效率高，而且抗弯强度高，即具有 良好的韧性，弥补了碳化硼韧性差的缺点。
[0015] (2)采用去离子水作为溶剂进行球磨混料，不但能降低生产成本，还能保证生产过 程的安全，适于批量生产。
[0016] (3)球磨混合浆料中所添加的粘结剂和分散剂，可以保证水基碳化硼浆料即使在 固相含量较高的情况下，仍然保持较小的粘度、良好的流动性和稳定性能，并且能够满足手 动造粒的工艺技术要求，从而制备出高质量碳化硼复合粉体造粉粒。
[0017] (4)真空渗硅反应烧结温度为1500~1700°C，较传统的热压烧结和无压烧结工艺 具有下列特点：①在比无压烧结或热压烧结时低得多的温度和较短的时间下可以完成致密 化过程，这样材料在高温下发生的诸多不利反应与变化可以得到有效的抑制。例如，高温分 解和晶粒的异常长大等。②具有制备复杂形状、大尺寸部件的能力。③减小后加工成本，较 易获得净尺寸制品。
[0018] 在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
[0019] 进一步，步骤（1)中所述烧结助剂为硼。
[0020] 进一步，步骤（1)中所述粘结剂为酚醛树脂。
[0021] 进一步，步骤（1)中所述分散剂为聚丙烯酸。
【附图说明】
[0022] 图1为本发明实施例1-3复合陶瓷样品的XRD图；
[0023] 图2为本发明实施例1复合陶瓷样品的SEM图；
[0024]图1中，（1)、实施例1 ; (2)、实施例2 ; (3)、实施例3 ;
【具体实施方式】
[0025] 以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并 非用于限定本发明的范围。
[0026] 实施例1:
[0027] (1)取碳化硼800g、碳粉180g、硼20g放入去离子水中，去离子水作为溶剂，玛瑙球 作为研磨介质，再向其中添加5g酚醛树脂和IOg聚丙烯酸，球磨5小时获得水基碳化硼浆 料；
[0028] (2)将步骤（1)中所得浆料置于干燥箱中65°C恒温干燥10小时，将干燥后的粉体 过200目筛，过筛后的粉体使用质量浓度为10%的酷醛树脂溶液100g进行手动造粒，造粒 后的粉体过60目筛，得碳化硼复合粉体造粉粒；
[0029] (3)将步骤（2)中所得的复合粉体造粉粒于120Mpa下干压成型，获得正六边形 R57mm*15mm碳化硼陶瓷素还；
[0030] (4)将步骤（3)中所得的碳化硼陶瓷素坯放入反应烧结炉中，向其中加入20g硅 片进行真空渗硅反应，真空烧结过程为：升温速度5°C/min，低温900°C，保持4小时，中温 1200°C，保持5小时，高温1600°C，保持2小时，之后随炉降温；
[0031] (5)步骤⑷中所得的碳化硼陶瓷块经机械加工、抛光处理，最终得到所需正六边 形R57mm*15mm的碳化硼基复