一种中子慢化用Al/AlF3复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于核反应堆用材料领域，具体公开了一种中子慢化用Al/AlF3复合材料及其制备方法。所述制备方法包括如下步骤：将AlF3、Al粉按质量比1:1～9:1称料混合，再加入烧结助剂并球磨、筛分；将粉料装入热压模具，于烧结炉中对热压模具进行热压烧结；升温至最高烧结温度后保温一段时间，保温完成后冷却，制得所述中子慢化用Al/AlF3复合材料。本发明专利技术中采用纯度高、颗粒小的粉料，配合球磨工艺充分混合物料，在低于金属铝熔点的温度进行热压烧结，避免了成分的偏聚，制备的慢化材料成分均匀、杂质含量少，材料致密度在2.6g/cm3以上，能满足核材料的高标准要求。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于核反应堆用材料领域，具体涉及一种中子慢化用Al/AlF3复合材料及其制备方法。
技术介绍
硼中子俘获治疗(BNCT)被认为是治疗肿瘤的有效方法，其基本原理是将具有选择性的含10B药物注射入人体血液，药物富集于肿瘤细胞中，使用超热中子束流照射病灶部位，10B吸收中子发生(n,α)反应放出高能量、短射程的α粒子和7Li离子(作用范围约为15μm，与细胞直径相当)，可以在杀死肿瘤细胞的同时避免损伤正常组织细胞。在BNCT技术应用中，高靶向10B药物的开发和超热中子束流的获得是决定该技术能否得到广泛应用的关键。BNCT所需的超热中子能量介于1eV～10keV之间，要求超热中子所占份额尽可能大，热中子、快中子及γ射线辐射所占份额尽量小到最低限度，这样的辐射场需在反应堆或加速器中子源上实现。反应堆中子能谱一般为0～20MeV之间各种能量的混合谱，需采用特殊设计的中子慢化材料进行过滤。铝、氧化铝和氟化铝是常用的中子慢化材料，在实际应用中，多采用铝和氟化铝不同比例组合来获得BNCT所需中子束流。应用实例如清华大学901核反应堆的最佳慢化材料为ω(AL):ω(ALF3)为2:3，厚度不小于50cm；中国原子能科学研究院反应堆工程研究所开发的医院中子照射器，理想的慢化材料为体积密度ρ＞2.70g/cm3、ω(AL):ω(ALF3)为3:7，其厚度不小于70cm。在不同反应堆产生的中子束流中，各类型中子所占份额差异明显，适用于某一特定反应堆的中子慢化材料通常需要特殊定制。通过相关软件模拟，可以
确定适用于某一堆型的慢化材料成分、密度、厚度等参数。目前，国内已有多家单位展开了关于BNCT的研究，多型专用的微型反应堆也处于构建之中，迫于无法得到致密的Al/AlF3烧结体，多数反应堆只能使用填充的Al、AlF3混合物。由于混合物没有强度可言，因此无法加工成特定形状，也不便于运输与安装。另外，混合物难以达到较高体积密度，实现相同的慢化效果，混合物的安装厚度也远大于致密烧结体。总之，目前使用的慢化材料性能无法满足要求，限制了BNCT技术的推广应用，致密Al/AlF3复合材料的制备有助于推动BNCT快速发展，给肿瘤患者带来福音。
技术实现思路
为解决现有技术的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种中子慢化用Al/AlF3复合材料的制备方法。本专利技术的另一目的在于提供一种致密度高、力学性能好、成分均匀的中子慢化用Al/AlF3复合材料。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种中子慢化用Al/AlF3复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)原料混合：将AlF3、Al粉按质量比1:1～9:1称料混合，再加入烧结助剂并球磨、筛分，物料装入真空袋保存。(2)热压烧结制备Al/AlF3复合材料：将步骤(1)制得的粉料装入热压模具，于烧结炉中对热压模具进行热压烧结；烧结过程中，在室温至400℃时升温速率为10～20℃/min，400℃以上时升温速率2～7℃/min，升温至450～600℃后保温一段时间，保温完成后冷却，即制得所述中子慢化用Al/AlF3复合材料。根据本专利技术，步骤(1)中所采用的AlF3及铝粉的纯度均高于99.9％，粒度在5μm以下；AlF3、Al粉的质量比优选为1:1、3:7或1:9。根据本专利技术，步骤(1)中所述烧结助剂优选为LiF、NaF、MgF2中一种，烧结助剂加入量优选为铝粉与氟化铝质量之和的1％。根据本专利技术，步骤(1)中所述球磨是指使用快速球磨机球磨，优选采用500ml聚氨酯球磨罐和直径2mm氧化锆球磨子进行球磨；所述快速球磨机优选为行星式快速球磨机，工作转速为200r/min，球磨方式优选为干磨，球磨时间为2h。根据本专利技术，步骤(1)中所述筛分是指使用标准筛进行筛分，优选标准筛的筛网目数为60目。根据本专利技术，步骤(2)中所述热压模具优选为石墨模具，优选为内部空间100mm×100mm，高度150mm。根据本专利技术，步骤(2)中所述烧结炉优选为真空/气氛热压烧结炉，烧结过程的真空度优选为7×10-3Pa。根据本专利技术，步骤(2)中所述热压烧结的温度在400℃以下时升温速率为10℃/min，热压烧结的温度在400℃以上后升温速率为5℃/min，升温至450～600℃后保温时间优选为30min，降温制度为随炉冷却。根据本专利技术，步骤(2)中所述热压烧结的温度在400℃以下时压力优选为10MPa，热压烧结的温度在400℃以上后压力优选为20MPa。上述烧结后得到的Al/AlF3复合材料测量体积密度，本专利技术制得的Al/AlF3复合材料致密度在2.6g/cm3以上；优选Al/AlF3中子慢化材料致密度为2.6～2.9g/cm3。上述制得的中子慢化用Al/AlF3复合材料还包括对其进行机械加工，将复合材料样品磨平、清洗除杂，使复合材料更方便使用及运输，具体包括：使用平面磨床对上下表面进行平磨加工，使用CNC加工中心对侧面铣平，使用超声清洗去除表面附着的碎屑，干燥后真空包装备用。本专利技术所述平面磨床、CNC加工中心、超声清洗波清洗机为一般常用设备。由于Al/AlF3复合材料用作中子慢化材料，必须满足核材料的苛刻要求。必须具备以下特点，一是成分均匀、杂质含量少；二是结构致密、力学强度高等
特点。针对现有生产技术的不足，本专利技术以高纯、超细铝粉和氟化铝为原料，通过高速行星磨充分混合粉料，保证材料中各组分分布均匀；聚氨酯球磨罐与氧化锆球磨子的使用，尽量减少了杂质引入；通过高真空下的热压烧结，制备了高致密度的Al/AlF3复合材料板材。板材经过磨削、钻孔加工后，拼凑成一体即可用来慢化反应堆中子束。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点及有益效果：(1)本专利技术中采用热压烧结工艺制备Al/AlF3复合材料，所得产品致密、性能稳定，材料强度可满足车磨钻铣等机械加工的基本要求，便于运输和拆装，满足医院中子照射器等微型反应堆所用中子慢化材料的指标要求。(2)本专利技术通过调整ω(Al):ω(AlF3)比例，改变烧结助剂种类，在不同温度下热压烧结制备出密度和Al/F比可调的慢化材料，能满足不同反应堆的具体要求，能够实现材料的量身定制。(3)本专利技术中采用纯度高、颗粒小的粉料，配合球磨工艺充分混合物料，在低于金属铝熔点的温度进行热压烧结，避免了成分的偏聚，制备的慢化材料成分均匀、杂质含量少，能满足核材料的高标准要求。附图说明图1为实施例1所制备添加不同烧结助剂后ω(Al):ω(AlF3)为3:7试样体积密度与烧结温度关系。图2为实施例1所制备含1％LiF，烧结温度为600℃的Al/AlF3复合材料经600℃烧结后断面SEM照片。图3为实施例1所制备含1％LiF，烧结温度为600℃的Al/AlF3复合材料的X射线衍射图谱。图4为实施例2所制备添加1wt.％LiF烧结助剂时不同ω(Al):ω(AlF3)试样体积密度随烧结温度变化关系。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。原料说明：实施例中的铝粉纯度99.9％，中位径5μm；氟化铝纯度99.9％，中位径5μm；LiF、NaF、MgF2纯度99％以上。所有原料的生产厂家为国药集团化学试剂有限公本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中子慢化用Al/AlF3复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将AlF3、Al粉按质量比1:1～9:1称料混合，再加入烧结助剂并球磨、筛分；(2)将步骤(1)制得的粉料装入热压模具，于烧结炉中对热压模具进行热压烧结；热压烧结过程中，在室温至400℃时升温速率为10～20℃/min，400℃以上时升温速率2～7℃/min，升温至450～600℃后保温一段时间，保温完成后冷却，即制得所述中子慢化用Al/AlF3复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种中子慢化用Al/AlF3复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将AlF3、Al粉按质量比1:1～9:1称料混合，再加入烧结助剂并球磨、筛分；(2)将步骤(1)制得的粉料装入热压模具，于烧结炉中对热压模具进行热压烧结；热压烧结过程中，在室温至400℃时升温速率为10～20℃/min，400℃以上时升温速率2～7℃/min，升温至450～600℃后保温一段时间，保温完成后冷却，即制得所述中子慢化用Al/AlF3复合材料。2.根据权利要求1所述的中子慢化用Al/AlF3复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所采用的AlF3及Al粉的纯度均高于99.9％，粒度在5μm以下；AlF3和Al粉的质量比为1:1、3:7或1:9。3.根据权利要求1所述的中子慢化用Al/AlF3复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述烧结助剂为LiF、NaF、MgF2中一种，烧结助剂加入量为Al粉与AlF3质量之和的1％。4.根据权利要求1所述的中子慢化用Al/AlF3复合材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述球磨是指使用快速球磨机球磨，球磨转速为200r/min，球磨方式为干磨，球磨时间为2h；步骤(1)中所述筛分是指使用60目筛网筛分。5.根据权利要求1所述的中子慢化用Al/AlF3复合材料的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑华德，艾树鹤，李艳辉，张明，马艺娟，
申请(专利权)人：华南协同创新研究院，
类型：发明
国别省市：广东;44