一种莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷及其制备方法，先将夕线石和氧化铝微粉、高岭土、添加剂、羧乙基纤维素、羧甲基纤维素、聚羧酸盐、乙醇和去离子水混匀，制得浆体Ⅰ；将氧化钆微粉、夕线石、氧化铝微粉、聚丙烯酸酯、乙醇和去离子水混匀，制得浆体Ⅱ；将聚氨酯海绵浸渍于浆体Ⅰ中，制备得到泡沫陶瓷预制体；用浆体Ⅱ对泡沫陶瓷预制体进行真空浸渍，经处理得到莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽乏泡沫陶瓷坯体，最后制得莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷。本发明专利技术制备的莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷工艺简单、成本低廉、体积密度小、强度高、耐高温、具备优异的耐化学侵蚀性和中子屏蔽性能。

【技术实现步骤摘要】
一种莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷及其制备方法
本专利技术属于泡沫陶瓷
，具体涉及一种莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷及其制备方法。
技术介绍
随着科学技术的快速发展，近年来，核能和核技术的应用得到了迅猛发展。传统的中子屏蔽材料已无法完全满足核动力舰船或可移动式放射源的防护要求，如传统含铅屏蔽材料对中子屏蔽效果差并且污染环境危害人类身体健康；屏蔽混凝土体积庞大难以移动且抗侵蚀性能差；硼元素的热中子吸收性能会随着与中子反应而递减等缺点。因此，研发体积密度小、物理性能优良、屏蔽效果好、环境友好型的防辐射材料已成为亟待解决的问题。本专利技术采用的中子吸收材料是氧化钆微粉。钆具有极高的热中子吸收截面，钆的同位素吸收截面分别为Gd-155(60600b)、Gd-157(139000b)，因而是一种优良的中子吸收材料。泡沫陶瓷因其具有独特的三维连同曲孔网状骨架结构，使其具有高达80～90％的开气孔率，其质量轻，力学性能强而被广泛的应用航空航天、催化吸附、耐火隔热等行业。但是，有机泡沫浸渍法所制备的泡沫陶瓷由于在煅烧过程中聚氨酯分解形成了中空孔筋以及在陶瓷基孔筋表面产生大量的缺陷，至使泡沫陶瓷的力学性能变差。目前技术人员为制备高性能辐射屏蔽材料等问题进行了深入的研究和技术开发：“一种中子吸收材料及其制备方法”(CN201510701250)的专利技术，公开了一种以碳化硼、中子吸收剂、铝及铝合金制备的主要针对乏燃料贮存用中子屏蔽的复合材料。该方法在一定程度上保证了中子屏蔽效率的基础上提高了复合材料塑性，并且提高了生产效率。但其主要缺陷是：(1)工艺复杂，成品率低；(2)在湿法存贮中耐腐蚀性不强；(3)体积密度较大。“中子屏蔽材料及制备工艺”(ZL201210156866)的专利技术，公开了一种以超高分子量聚乙烯，硼化合物，硬脂酸或其盐，偶联剂等在搅拌机中混炼，搅拌均匀。在磨具中加热至200℃，置于模具中，加压、成型、脱模、冷却即可制备中子屏蔽材料。该方法在一定程度上减少了生产成本并提高了使用寿命。但其主要缺陷是：(1)机械性能不高；(2)使用温度低；(3)耐腐蚀能力较弱；(4)抗辐照老化能力差；(5)体积密度较大。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术缺陷，制备出莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷。目的是提供一种制备出莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷及其制备方法，用该方法制备的莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷体积密度小、强度高、优良的抗热震性能、耐高温、耐腐蚀性能强并对热中子有良好的屏蔽效果，可以应用到中子场辐射环境下，尤其适合乏燃料贮存，运输用格架及容器材料。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是：一种莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷，其制备方法包括以下步骤：步骤一、将50～70份质量的夕线石、15～30份质量的氧化铝微粉、10～20份质量的高岭土和3～5份质量的添加剂混合，得混合粉Ⅰ；再向混合粉Ⅰ中加入0.3～2.1份质量的羧乙基纤维素、0.3～1.5份质量的羧甲基纤维素、0.2～1.2份质量的聚羧酸盐、0.1～1.5份质量的乙醇和20～45份质量的去离子水，球磨1～1.5h，制得浆体Ⅰ；步骤二、将20～50份质量的氧化钆微粉、15～30份质量的氧化铝微粉和30～40夕线石，得混合粉Ⅱ，再向混合粉Ⅱ中加入0.3～1.6份质量的聚羧酸盐、0.3～2份质量的聚丙烯酸酯、0.1～0.7份质量的乙醇和25～50份质量的去离子水，机械球磨2～3h，制得浆体Ⅱ；步骤三、将聚氨酯海绵在真空条件下浸入浆体Ⅰ中，浸渍后挤压或者离心甩浆，经自然干燥12～24h得到预制生坯，再用浆体Ⅱ对预制生坯进行真空浸渍，浸渍后压缩空气喷吹或者离心甩浆，自然干燥，在70～100℃条件下烘烤12～24h得到莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷坯体；步骤四、将所述的莫来石/刚玉基燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷坯体置入高温炉内，于空气气氛下，以2～3℃/min的速度升温至230℃，再以0.5～1℃/min的速率升温至700℃，然后以3℃/min的速度升至1450～1550℃，保温2～5h，随炉冷却至室温，即得莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷。所述夕线石的化学组分为：SiO2为32～37wt％，Al2O3为61～65wt％，TiO2为0.2～1.3wt％，CaO为0.3～1.5wt％，MgO为0.4～0.5wt％，Na2O+K2O为0.1～0.7wt％，烧失量为1～3wt％；所述夕线石的平均粒度≤8μm。所述高岭土的化学组分为：：Al2O3为40～50wt％，SiO2为45～55wt％，Fe2O3为0.5～2wt％，CaO为0.4～0.6wt％，MgO为0.2～0.4wt％，TiO2为0.5～1.0wt％，烧失量为0.5～2.5wt％；所述高岭土的平均粒度≤5μm。所述的氧化铝微粉的平均粒度≤5μm。所述添加剂为氧化镁微粉、氧化铈微粉、和氧化锆微粉中的一种或多种；氧化镁微粉、氧化铈微粉、和氧化锆微粉平均粒度≤25μm。所述的氧化钆微粉的平均粒度≤10μm。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术涉及一种莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷及其制备方法，先将夕线石和氧化铝微粉、高岭土、添加剂、羧乙基纤维素、羧甲基纤维素、聚羧酸盐、乙醇和去离子水混匀，制得浆体Ⅰ；将氧化钆微粉、夕线石、氧化铝微粉、聚丙烯酸酯、乙醇和去离子水混匀，制得浆体Ⅱ；将聚氨酯海绵浸渍于浆体Ⅰ中，采用挤压或者离心甩浆，干燥，保温，得到泡沫陶瓷预制体；然后用浆体Ⅱ对泡沫陶瓷预制体进行真空浸渍，挤压或者离心甩浆，自然干燥，在70～100℃条件下烘烤12～24h得到莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽乏泡沫陶瓷坯体；最后在空气气氛和1450～1550℃条件下保温2～5h，即得莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷。本专利技术采用二次涂覆和真空浸渍灌浆技术制备的莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷。通过上述技术将预制浆料涂覆至莫来石/刚玉基陶瓷预制体表面以及中空孔筋内部，可使莫来石/刚玉基泡沫陶瓷的孔筋因聚氨酯海绵挥发所产生的缺陷和中空孔筋得到修复，提高了莫来石/刚玉基泡沫陶瓷的机械性能和热震稳定性。基于第一次挂浆后聚氨酯海绵体表面吸附大量的陶瓷浆体改善了泡沫陶瓷坯体的表面与无机浆料的亲和力，因此二次挂浆可有效的提升浆料在泡沫陶瓷坯体上的粘附量。同时，浆料Ⅱ中选用氧化钆微粉、夕线石和氧化铝微粉为主要原料，主要是由于夕线石在高温下分解生成莫来石和二氧化硅产生膨胀效应可抵消经高温煅烧后试样产生的线收提高莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷的成品率；氧化钆的的热中子吸收截面远大于其他材料进而具有极强的中子吸收能力，钆元素的中子屏蔽性能是目前常用的B元素的几十倍甚至上百倍。制备泡沫陶瓷坯体后，经过二次挂浆工艺煅烧后，钆元素以Gd2Si2O7以及Al5Gd3O12等陶瓷相的形式存在于莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷中，其元素钆的体积密度在大约在0.05～0.065g/cm3。通过MCNP模拟，计算出当钆元素体积密度为0.05g/cm3，泡沫陶瓷的厚度为2cm时便能屏蔽99％以上的热中子。同时，基于实验本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷，其特征在于：其制备方法包括以下步骤：步骤一、将50～70份质量的夕线石、15～30份质量的氧化铝微粉、10～20份质量的高岭土和3～5份质量的添加剂混合，得混合粉Ⅰ；再向混合粉Ⅰ中加入0.3～2.1份质量的羧乙基纤维素、0.3～1.5份质量的羧甲基纤维素、0.2～1.2份质量的聚羧酸盐、0.1～1.5份质量的乙醇和20～45份质量的去离子水，球磨1～1.5h，制得浆体Ⅰ；步骤二、将20～50份质量的氧化钆微粉、15～30份质量的氧化铝微粉和30～40夕线石，得混合粉Ⅱ，再向混合粉Ⅱ中加入0.3～1.6份质量的聚羧酸盐、0.3～2份质量的聚丙烯酸酯、0.1～0.7份质量的乙醇和25～50份质量的去离子水，机械球磨2～3h，制得浆体Ⅱ；步骤三、将聚氨酯海绵在真空条件下浸入浆体Ⅰ中，浸渍后挤压或者离心甩浆，经自然干燥12～24h得到预制生坯，再用浆体Ⅱ对预制生坯进行真空浸渍，浸渍后压缩空气喷吹或者离心甩浆，自然干燥，在70～100℃条件下烘烤12～24h得到莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷坯体；步骤四、将所述的莫来石/刚玉基燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷坯体置入高温炉内，于空气气氛下，以2～3℃/min的速度升温至230℃，再以0.5～1℃/min的速率升温至700℃，然后以3℃/min的速度升至1450～1550℃，保温2～5h，随炉冷却至室温，即得莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷。...

【技术特征摘要】
1.一种莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷，其特征在于：其制备方法包括以下步骤：步骤一、将50～70份质量的夕线石、15～30份质量的氧化铝微粉、10～20份质量的高岭土和3～5份质量的添加剂混合，得混合粉Ⅰ；再向混合粉Ⅰ中加入0.3～2.1份质量的羧乙基纤维素、0.3～1.5份质量的羧甲基纤维素、0.2～1.2份质量的聚羧酸盐、0.1～1.5份质量的乙醇和20～45份质量的去离子水，球磨1～1.5h，制得浆体Ⅰ；步骤二、将20～50份质量的氧化钆微粉、15～30份质量的氧化铝微粉和30～40夕线石，得混合粉Ⅱ，再向混合粉Ⅱ中加入0.3～1.6份质量的聚羧酸盐、0.3～2份质量的聚丙烯酸酯、0.1～0.7份质量的乙醇和25～50份质量的去离子水，机械球磨2～3h，制得浆体Ⅱ；步骤三、将聚氨酯海绵在真空条件下浸入浆体Ⅰ中，浸渍后挤压或者离心甩浆，经自然干燥12～24h得到预制生坯，再用浆体Ⅱ对预制生坯进行真空浸渍，浸渍后压缩空气喷吹或者离心甩浆，自然干燥，在70～100℃条件下烘烤12～24h得到莫来石/刚玉基乏燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷坯体；步骤四、将所述的莫来石/刚玉基燃料贮运用中子屏蔽泡沫陶瓷坯体置入高温炉内，于空气气氛下，以2～3℃/min的速度升温至230℃，再以0.5～1℃/min的速率升温至700℃，然后以3℃/min的速度升至1450～1550℃，保温2～...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾文宝，汪瑜凡，陈若愚，金利民，黑大千，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32