一种Al-B4C-B中子吸收材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种Al‑B4C‑B中子吸收材料及其制备方法，目的在于解决随着铝基碳化硼中B4C颗粒含量的增加，其复合板材的制备难度也随之增大，加工性能和塑性变差，难以轧制，而铝基碳化硼中B4C含量过低，又无法确保中子屏蔽性能，难以确保临界安全的问题。本发明专利技术获得颗粒弥散均匀分布的复合材料，综合性能良好，具有优良的抗辐照性能，用于乏燃料贮存格架材料时具有较高的临界安全性，且满足中子吸收的需求。

A new type of Al B4C B neutron absorbing material and preparation method thereof

The invention discloses a novel Al B4C B neutron absorbing material and a preparation method thereof, which aims to solve the increase with the content of B4C particles in aluminum based boron carbide, the composite material preparation difficulty also increases, and the plastic processing performance becomes poor, difficult to rolling, while the content of B4C aluminum matrix carbon boron is too low, and can not ensure the neutron shielding performance, it is difficult to ensure that the critical safety problem. The composite material of the invention is to obtain particles evenly distributed, with good comprehensive properties and excellent anti irradiation properties for criticality safety of spent fuel storage rack material is high, and meet the needs of neutron absorption.

【技术实现步骤摘要】
一种新型Al-B4C-B中子吸收材料及其制备方法
本专利技术涉及核辐射防护领域，尤其是射线防护中子吸收材料领域，具体为一种新型Al-B4C-B中子吸收材料及其制备方法。
技术介绍
近年来，随着核能的快速发展和充分利用，大量的乏燃料也随之产生。这些乏燃料具有强放射性和毒性，不断释放出大量的γ射线和中子，可能发生临界事故，严重危害人类健康和生存环境。预计2020年后，我国每年将卸下千余吨乏燃料。由于我国尚不具备系统完善的乏燃料后处理能力，乏燃料的累积量将快速超过乏燃料的处理能力。未来，我国在乏燃料后处理问题方面还将面临艰巨的任务，需要生产制备大批量的、质量优异的中子吸收材料，以实现对乏燃料的贮存和运输。目前，常用的中子吸收材料包括硼钢、含硼聚乙烯、镉板等。其中，硼钢中含硼量过低，难以满足屏蔽需求；含硼聚乙烯在辐照环境下易脆化，寿命短；镉板有毒、致癌，且吸收中子后会产生二次放射性。此外，铝基碳化硼也常被用作乏燃料贮存和运输材料。铝基碳化硼具有较高热中子俘获横截面积，耐腐蚀性好，热稳定性优良，辐照稳定性良好。然而，随着铝基碳化硼中B4C颗粒含量的增加，其复合板材的制备难度也随之增大，加工性能和塑性变差，难以轧制；而过低的B4C含量又无法确保中子屏蔽性能，难以确保临界安全。为此，迫切需要一种新的材料，以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的在于：针对随着铝基碳化硼中B4C颗粒含量的增加，其复合板材的制备难度也随之增大，加工性能和塑性变差，难以轧制，而铝基碳化硼中B4C含量过低，又无法确保中子屏蔽性能，难以确保临界安全的问题，提供一种新型Al-B4C-B中子吸收材料及其制备方法。本专利技术获得颗粒弥散均匀分布的复合材料，综合性能良好，具有优良的抗辐照性能，用于乏燃料贮存格架材料时具有较高的临界安全性，且满足中子吸收的需求。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种新型Al-B4C-B中子吸收材料，采用如下质量百分比的组分制备而成：9.9%~25%的B4C，0.1~3%的硼粉，72%~90%为Al或Al合金；所述硼粉为天然硼粉或浓缩10B同位素的硼粉。所述铝合金为1XXX系铝合金，2XXX系铝合金，3XXX系铝合金，4XXX系铝合金，5XXX系铝合金或6XXX系铝合金中的一种或多种。所述Al或Al合金的粒径为10~50μm，所述碳化硼粉末的粒径为1~30μm，所述硼粉粒径为0.1~20μm。作为优选，所述硼粉的质量份数为0.1~0.5%。作为优选，所述硼粉的质量份数为0.5~3.0%。前述材料的制备方法，包括如下步骤：（1）称量按配比称取各组分，备用；（2）球磨混料将步骤1称取的粉末加入球磨机中，再向球磨机中加入乙醇至粉末表面被乙醇淹没，在150r/min~350r/min下球磨2~8h，得到第一混合粉体，将所得第一混合粉体在35~80℃下保温干燥24~48h，得到第二混合粉体；（3）冷等静压将步骤2制备的第二混合粉体装入模具中，并抽真空至真空度小于10Pa，再在150-250MPa下，保压10-20min，得到冷等静压坯体；（4）包套及高温除气用金属焊接制成冷等静压坯体形状的包套，并将包套的封口预留一个通气管，再将步骤3制备的冷等静压坯体拆除模具，并拆除模具后的冷等静压坯体装入包套中，焊接密封包套的封孔，将包套检漏后进行高温除气，并在350℃~420℃温度范围抽真空，真空度维持到10-2~10-4Pa，得到含包套的复合材料；（5）高温处理采用步骤4得到的复合材料进行真空烧结法处理，烧结温度为400~630℃，烧结时间为6~28小时，真空度为10-3Pa，可获得致密度≥94%的复合材料芯块；或采用步骤4得到的复合材料进行热等静压法处理，温度为560-640℃，压力为40~110MPa，保压时间为5~60min，压力介质为氩气，可获得致密度≥99%的复合材料芯块；（6）后处理将步骤5制备的复合材料芯块去除包套后，将所得产品进行后处理，即得Al-B4C-B中子吸收材料。所述步骤2中，将所得第一混合粉体放入恒温干燥箱中，在35~80℃下保温干燥24~48h，得到第二混合粉体。所述步骤3中，压力为180MPa，保压15min，得到冷等静压坯体。所述步骤4中，采用铁板焊接成冷等静压坯体形状的包套。铁板的厚度为1mm-3mm。所述步骤5中，进行热等静压法处理时，温度为580-620℃。所述步骤5中，真空烧结温度为460℃，烧结时间为12h；或热等静压的温度为600℃，压力50MPa，保压15min。所述步骤6中，将所得产品用角磨机或铣床表面抛光后，进行热轧制，再经退火处理后矫直，即得Al-B4C-B中子吸收板材。针对前述问题，本专利技术提供一种新型Al-B4C-B中子吸收材料及其制备方法。其中，该中子吸收材料按照质量分数由0.9%~25%的B4C，0.1~3%的B元素，72%~90%为Al或Al合金；并且所述材料中的B元素是以天然硼粉或浓缩10B同位素的硼粉的形式添加制备的。硼粉的质量份数为0.1~0.5%，且以天然硼粉或浓缩10B同位素的硼粉的形式添加制备，B固溶在Al或Al合金中，B4C颗粒与Al形成洁净无杂质具有较高结合强度的界面。B元素的质量分数为0.5~3.0%，且以天然硼粉或浓缩10B同位素的硼粉的形式添加制备，B固溶在Al或Al合金中，少量B以AlB2或单质形式存在，B4C颗粒与Al形成洁净无杂质具有较高结合强度的界面。进一步，本专利技术提供前述材料的制备方法。本专利技术中，首先称量组分：按质量分数分别称取各组分。其次，球磨混料：将步骤1得到的粉末混合在一起，采用球磨机进行混合，加入分析纯酒精直至将混合粉体表面淹没，转速为150r/min~350r/min，球磨时间为2~8小时，得到第一混合粉体；将第一混合粉体放入恒温干燥箱中在35~80℃保温并干燥24~48h，得到干燥的混合粉体，记为第二混合粉体。再次，冷等静压：将步骤2得到的第二混合粉体装入模具中，抽真空使真空度小于10Pa，再在压力为150-250MPa，保压10-20分钟的条件下进行冷等静压制成坯体。再次，装包套及高温除气：将步骤3获得的冷等静压制成坯体，拆除模具，用铁板（厚度1mm-3mm）焊接制备成坯体形状的包套，封口处预留一个通气管；将冷等静压制成坯体装入包套中，焊接密封封口，检漏后进行高温除气，在350℃~420℃温度范围抽真空，真空度维持到10-2~10-4Pa。再次，高温处理：将步骤4得到的复合材料进行烧结，若采用真空烧结法，则烧结温度为400~630℃，烧结时间为6~28小时，真空度为10-3Pa，可获得致密度≥94%的复合材料芯块；若采用热等静压法，则温度为560-640℃（优选580-620℃），压力为40~110MPa，保压时间为5分钟~60分钟，压力介质为氩气，可获得致密度≥99%的复合材料芯块。最后，去除包套，取出复合材料芯块，用角磨机或铣床表面抛光后，可进行热轧制，退火处理后矫直，获得Al-B4C-B中子吸收板材。本专利技术的材料为Al-B4C-B三元体系，该中子吸收材料能有效地屏蔽热中子，且易于加工成型，焊接性能良好，适应核电站乏燃料贮存密集化、长期化的发展方向，满足乏燃料贮存格架材料的使用需求，维持次临界状态，确保贮存安全，同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型Al‑B4C‑B中子吸收材料，其特征在于，采用如下质量百分比的组分制备而成：9.9% ~ 25%的B4C，0.1 ~ 3%的硼粉，72% ~ 90%为Al或Al合金；所述硼粉为天然硼粉或浓缩

【技术特征摘要】
1.一种新型Al-B4C-B中子吸收材料，其特征在于，采用如下质量百分比的组分制备而成：9.9%~25%的B4C，0.1~3%的硼粉，72%~90%为Al或Al合金；所述硼粉为天然硼粉或浓缩10B同位素的硼粉。2.根据权利要求1所述新型Al-B4C-B中子吸收材料，其特征在于，所述铝合金为1XXX系铝合金，2XXX系铝合金，3XXX系铝合金，4XXX系铝合金，5XXX系铝合金或6XXX系铝合金中的一种或多种。3.根据权利要求1或2所述新型Al-B4C-B中子吸收材料，其特征在于，所述硼粉的质量份数为0.1~0.5%。4.根据权利要求1或2所述新型Al-B4C-B中子吸收材料，其特征在于，所述硼粉的质量份数为0.5~3.0%。5.前述权利要求1-4任一项所述材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）称量按配比称取各组分，备用；（2）球磨混料将步骤1称取的粉末加入球磨机中，再向球磨机中加入乙醇至粉末表面被乙醇淹没，在150r/min~350r/min下球磨2~8h，得到第一混合粉体，将所得第一混合粉体在35~80℃下保温干燥24~48h，得到第二混合粉体；（3）冷等静压将步骤2制备的第二混合粉体装入模具中，并抽真空至真空度小于10Pa，再在150-250MPa下，保压10-20min，得到冷等静压坯体；（4）包套及高温除气用金属焊接制成冷等静压坯体形状的包套，并将包套的封口预留一个通气管，再将步骤3制备的冷等静压坯体拆除模具，并拆除模具后的冷等静压坯体装入包套中，焊接密封...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲜亚疆，庞晓轩，张鹏程，刘鹏闯，张羽廷，王鑫，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51