一种低散射背底的中子吸收材料及其制备方法和应用技术

本申请公开了一种低散射背底的中子吸收材料及其制备方法和应用。本申请的低散射背底的中子吸收材料，其主要成份包括碳化硼粉和聚四氟乙烯。本申请的中子吸收材料，在碳化硼粉中添加聚四氟乙烯，一方面，在保障中子吸收性能的前提下，提高了中子吸收材料致密化烧结的相对密度，改善了其加工性能；另一方面，使得中子吸收材料可以在450℃以下的低温进行烧结，工艺简单、能耗低、成本低。本申请的中子吸收材料，为碳化硼类中子吸收材料的大规模产业化生产和广泛应用奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】
一种低散射背底的中子吸收材料及其制备方法和应用
本申请涉及中子吸收材料领域，特别是涉及一种低散射背底的中子吸收材料及其制备方法和应用。
技术介绍
随着中国散裂中子源(缩写CSNS)的建设，以及“十三五”期间我国核电项目的重启以及核工业技术等产业的进步与发展，高能辐射射线或设备已广泛应用于科研、工业、军事、医疗等多个领域，由此带来的辐射屏蔽和防护问题也越来越引起人们的重视。碳化硼，别名黑钻石，通常为灰黑色微粉，是一种硬度仅次于金刚石和立方氮化硼的物质，莫氏硬度9.3，显微硬度55-67Gpa。碳化硼的化学稳定性好，常温下不与酸、碱和大多数化合物反应，仅在氢氟酸-硫酸、氢氟酸-硝酸混合物中有缓慢的腐蚀，是化学性质最稳定的化合物之一。同时碳化硼密度小，仅2.52g/cm3，高温硬度高，还有着优良的慢中子吸收能力。因此，碳化硼在耐磨、耐腐蚀器件、防弹材料、发动机喷头、喷砂嘴、陶瓷轴承、研磨介质、核能以及中子屏蔽材料等领域都有着重要的应用。碳化硼具有优良的中子吸收能力，使得其在核工业领域有着极其重要的地位。在目前传统的核工业领域使用较多的中子吸收材料就是碳化硼，在世界上已公布的反应堆中，相当大部分常选用碳化硼作为核反应堆的调节棒、控制棒、屏蔽棒以及中子屏蔽材料。其中，屏蔽棒的重要性仅次于燃料元件。但是，由于碳化硼中C和B的原子半径很接近，二者的电负性相差很小，形成很强的共价键，共价键比例高达93.94％，导致纯碳化硼的致密化烧结极其困难。普通B4C粉末在2250-2300℃的常压下烧结获得的成品，其相对密度只能达到80％-87％。并且，通常需要使用碳化硼超细粉末并采用热压烧结、热等静压烧结或近些年发展起来的放电等离子烧结(缩写SPS)等技术，在2000℃以上烧结。即使目前的改进方案，在B4C粉末中添加了烧结助剂，其烧结温度也在1600℃以上。例如，专利CN1541981A，通过热压烧结在2200℃-2300℃下制备了轻质碳化硼装甲陶瓷。蒋国新和王声宏等发表的文献“碳化硼的低温热压”，粉末冶金技术(2)108-111，其中虽然添加了Al2O3烧结助剂，并且采用粒径小于1μm的碳化硼粉，但是，其烧结条件也需要在1750℃、35MPa热压下，才能制成碳化硼陶瓷材料。因此，总的来说，现有的碳化硼的致密化烧结，存在制备工艺复杂、能耗高、成本昂贵等不足，限制了碳化硼的使用，也不适合大规模产业化生产。中子是人类探索物质微观世界的有力手段，中子不带电、具有磁矩、穿透力强、能分辨轻元素、同位素和近邻元素，且对样品无破坏性，因此中子散射技术在生物、生命、国家能源、环境和新材料等研究领域有着重要作用。为适应不同领域的应用要求，需要建设各类不同用途的中子散射谱仪。在中子散射谱仪的设计建造中，信噪比是衡量各类谱仪性能的一个共同的重要指标。为了降低杂散中子所造成的谱仪的本底，需要在谱仪束线周围大量使用中子吸收材料。尤其是靠近中子探测器的束线周围，要求采用的中子吸收材料尽可能少的含有易产生杂散信号的活化元素和非弹性中子散射截面较大的元素；其中，活化元素如Ni、Co、Cu等元素，非弹性中子散射截面较大的元素，典型的例如H元素。传统方案大多使用纯烧结碳化硼材料来加工相应的准直吸收部件。但该材料是半导体且硬度仅次于金刚石，加工性能很差。而且制品脆性很大，容易碎裂。目前新开发的基于碳化硼的改性中子吸收材料，虽韧性有所提高，但大多含有较多的H元素。如含硼聚乙烯等。专利CN104310400A使用胶体粘结固化制备成型的碳化硼基中子吸收体，虽然降低了氢元素含量，但是该材料中仍含有一定量的氢元素，非弹性散射背底较高。专利CN103198871A中使用聚乙烯和碳化硼制备了具有中子屏蔽效果的复合材料，但其碳化硼含量仅为6wt％，对慢中子的吸收能力较弱。另外，也有一些相关的碳化硼复合材料，但是其防水性能差。因此，亟需开发出一种低散射背底，且防水性好、韧性强、加工性能良好的中子吸收材料。
技术实现思路
本申请的目的是提供一种新的低散射背底的中子吸收材料及其制备方法和应用。本申请采用了以下技术方案：本申请的一方面公开了一种低散射背底的中子吸收材料，其主要成份包括碳化硼粉和聚四氟乙烯。优选的，碳化硼粉占总重量的40-70％，聚四氟乙烯占总重量的30-60％。需要说明的是，本申请的中子吸收材料，在碳化硼粉中添加聚四氟乙烯，利用了聚四氟乙烯的韧性强、防水性好等优点；并且，在添加聚四氟乙烯后，使得中子吸收材料的致密化烧结的相对密度可以高达98.7％左右，加工性能良好。此外，由于聚四氟乙烯的添加，使得本申请的中子吸收材料，可以在低温常压下进行烧结，工艺简单、能耗低、成本低；并且，聚四氟乙烯原料丰富、价格低廉，十分容易获得。聚四氟乙烯的添加可以改善中子吸收材料的相对密度，实现低温常温烧结；可以理解，聚四氟乙烯的加入量越少，其对中子吸收材料的相对密度的提高效果越低，但是，碳化硼粉的含量会更高，在不考虑加工性能等因素的情况下，对于中子的吸收能力会较好；反之，聚四氟乙烯的加入量越多，其对中子吸收材料的相对密度的提高效果越高，但是，会减少碳化硼粉的含量，对中子吸收有一定影响。因此，本申请的优选方案中，综合考虑以上因素，优选碳化硼粉占中子吸收材料总重量的40-70％，聚四氟乙烯占总重量的30-60％。优选的，碳化硼粉和聚四氟乙烯的纯度都大于95wt％。需要说明的是，本申请的中子吸收材料，采用纯度都大于95wt％的碳化硼粉和聚四氟乙烯都可以，纯度越高性能越优良，但是，相应的成本也会增加；纯度越低，杂质越多。具体的，可以根据使用需求而定，在此不做具体限定。优选的，碳化硼粉的粒径小于250微米；聚四氟乙烯为聚四氟乙烯微粉和/或聚四氟乙烯细粉。其中，聚四氟乙烯微粉是指平均粒径在40-200微米的微米级粉末，聚四氟乙烯细粉是指平均粒径在1-40微米的微米级粉末。优选的，本申请的中子吸收材料还包括成型剂，成型剂选自聚乙烯醇、酚醛树脂、淀粉、糖类、纤维素和糊精中的至少一种。需要说明的是，成型剂并非必须添加的成份，只是在一些特殊的情况下，才需要添加成型剂，例如对于一些特定的形状，中子吸收材料成型困难的情况下，才需要辅助添加适量的成型剂，以形成稳定的形状。具体用量和具体成型剂的选择，可以根据生产条件和生产要求而定，在此不做限定。本申请的另一面公开了本申请的中子吸收材料在制备中子吸收或中子屏蔽元器件中的应用。本申请的再一面公开了本申请的中子吸收材料的制备方法，包括以下步骤，(1)将碳化硼粉和聚四氟乙烯高速搅拌球磨或超声分散混合均匀；(2)将步骤(1)的混合料倒入模具中，在5-30MPa的压力下保压30秒-2分钟，压制成素坯；(3)将步骤(2)的素坯在低温常压下烧结，制成中子吸收材料。需要说明的是，其中低温常压烧结，其低温是相对于现有的工艺中1600℃以上的高温而言的，本申请的制备方法，由于聚四氟乙烯的使用，可以在更低的温度下进行烧结。其中，模具可以根据使用需求，采用各种形状的模具，在此不做具体限定。优选的，步骤(3)中，低温常压烧结的温度低于或等于450℃，更优选的，低温常压烧结的温度为350-450℃。优选的，步骤(3)中，低温常压烧结的时间为3-5h。优选的，步骤(3)中，低温常压烧结在空气、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低散射背底的中子吸收材料，其特征在于：主要成份包括碳化硼粉和聚四氟乙烯。

【技术特征摘要】
1.一种低散射背底的中子吸收材料，其特征在于：主要成份包括碳化硼粉和聚四氟乙烯。2.根据权利要求1所述的中子吸收材料，其特征在于：所述碳化硼粉占总重量的40-70％，所述聚四氟乙烯占总重量的30-60％。3.根据权利要求1或2所述的中子吸收材料，其特征在于：所述碳化硼粉和聚四氟乙烯的纯度都大于95wt％。4.根据权利要求1或2所述的中子吸收材料，其特征在于：所述碳化硼粉的粒径小于250微米；所述聚四氟乙烯为聚四氟乙烯微粉和/或聚四氟乙烯细粉。5.根据权利要求1或2所述的中子吸收材料，其特征在于：还包括成型剂，所述成型剂选自聚乙烯醇、酚醛树脂、淀粉、糖类、纤维素和糊精中的至少一种。6.根据权利要求1-5任一项所述的中子吸收材料在制备中子吸收或中子屏蔽元器件中的应...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯于斌，曹磊，陶举洲，杜慧玲，
申请(专利权)人：东莞中子科学中心，
类型：发明
国别省市：广东,44