一种铝基复合屏蔽材料及其制备方法技术

一种铝基复合屏蔽材料及其制备方法，本发明专利技术属于核辐射防护复合材料制备及应用的技术领域，具体涉及一种铝基复合屏蔽材料及其制备方法。本发明专利技术是要解决现有核辐射、射线防护材料屏蔽性能单一的问题。一种铝基复合屏蔽材料按体积分数由1％～50％单质硼、1％～50％单质钨和1～99％含铝材料制成。方法：一、称量；二、混粉；三、过筛、烘干；四、冷压成型；五、放电等离子烧结、脱模。本发明专利技术的复合屏蔽材料具有优异的X、γ射线以及中子综合屏蔽性能，致密度高，力学性能和加工性能好；材料制备方法烧结温度低，烧结时间短，高效节能简便。本发明专利技术的铝基复合屏蔽材料用于核辐射防护。

Aluminum matrix composite shielding material and preparation method thereof

The invention belongs to the technical field of preparation and application of nuclear radiation protection composite materials, in particular to an aluminum-based composite shielding material and a preparation method thereof. The invention aims to solve the problem of shielding performance of existing nuclear radiation and radiation protection materials. An aluminum-based composite shielding material is made of 1%-50% boron, 1%-50% tungsten and 1-99% aluminum-containing materials in volume fraction. Methods: 1. Weighing; 2. Mixing powder; 3. Screening and drying; 4. Cold pressing molding; 5. Discharge plasma sintering and demoulding. The composite shielding material of the invention has excellent X-ray, gamma-ray and neutron comprehensive shielding performance, high density, good mechanical properties and processing performance, low sintering temperature, short sintering time, high efficiency and energy saving. The aluminum composite shielding material of the invention is used for nuclear radiation protection.

【技术实现步骤摘要】
一种铝基复合屏蔽材料及其制备方法
本专利技术属于核辐射防护复合材料制备及应用的
，具体涉及一种铝基复合屏蔽材料及其制备方法。
技术介绍
对于核能源的使用必须考虑辐射防护问题，而防护的重点问题是具有强穿透力的X射线、γ射线和中子。目前使用较多的具有综合屏蔽性能的材料主要有铅硼混凝土、铅硼聚乙烯和硼钢。铅硼混凝土密度大、屏蔽效能不足；铅硼聚乙烯密度低、综合屏蔽性能好，但是其力学性能低，不能满足结构-功能一体化要求，且耐热性差，使用温度一般不得高于80～100℃；硼钢力学性能优异，但含硼量低、Fe原子序数不高，综合屏蔽效能有限。针对发展结构-功能一体化辐射屏蔽材料的需求，近年来，国内外开展了大量的研究，设计开发具有高强度、高模量且具有优良的X射线、γ射线和中子综合屏蔽性能的材料，例如含硼的铅基复合材料(CN100335664C、CN102260813A等)，含硼、铅的铝基复合材料(CN102268582A、CN103045916A、CN104190914A、CN105014075A等)、含硼、钨的铝基复合材料(CN103045916A、CN103276254A等)等。但是上述复合材料中铅有毒性，且在能量介于40～88KeV之间存在“Pb的弱吸收区”。此外，选用的含硼物质主要为B4C颗粒，B4C与Al易在界面生成Al4C3脆性相，为改善B4C与铝的润湿性，控制界面反应，需加入活性烧结剂，这将会引入杂质元素，不利于力学性能的改善；而且B4C颗粒是常用磨料，B4C颗粒的加入将大大增大材料的加工难度。
技术实现思路
本专利技术是要解决现有核辐射、射线防护材料屏蔽性能单一的问题，而提供一种铝基复合屏蔽材料及其制备方法。本专利技术一种铝基复合屏蔽材料按体积分数由1％～50％单质硼、1％～50％单质钨和1～99％含铝材料制成；所述的含铝材料为铝或铝合金。本专利技术一种铝基复合屏蔽材料的制备方法是按以下步骤进行：一、按体积分数称取1％～50％硼粉、1％～50％钨粉和1～99％含铝材料；所述的含铝材料为铝或铝合金；二、将步骤一称取的1％～50％硼粉、1％～50％钨粉和1～99％含铝材料放入球磨罐中，在转速100～300r/min的条件下球磨1～5h，得到混合粉体；三、将混合粉体过20～100目筛后放入真空干燥箱中，在温度为60～100℃的条件下烘干2～4h，得到干燥的粉体；四、将干燥的粉体倒入石墨模具中，在压力为5～15MPa条件下保压10～20min，制成素坯；五、将素坯连同模具置于放电等离子烧结炉中，抽真空，以30～120℃/min的速率将放电等离子烧结炉中的温度从室温升至450～650℃，在温度为450～650℃的条件下施加25～55MPa的压力，保温保压5～25min，随炉冷却至室温，脱模，得到铝基复合屏蔽复合材料。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过硼元素和钨元素的加入，利用铝基合金作为高强、高韧承载体，其力学性能和耐热性指标远远高于碳化硼/铅复合材料和铅硼聚乙烯复合材料，同时具有X射线、γ射线和中子综合屏蔽效能。采用纯硼作中子吸收剂，10B含量高，进一步提高了材料的屏蔽性能，采用W作为X射线和γ射线吸收剂，W相较于Pb，无毒，且避免了40～88KeV之间出现弱吸收区；采用放电等离子烧结法制备，大大降低烧结温度，减小界面反应速率，避免有害相生成，有助于复合材料力学性能的改善。此外，本专利技术所采用的制备方法对硼粉、钨粉以及铝粉的形貌、粒径均无特殊要求，且不需要进行前处理，烧结温度低，烧结迅速，材料制备周期短，工艺简单高效；此外可根据需求精确调控硼元素和钨元素含量，有效控制屏蔽材料对X射线、γ射线和中子的屏蔽性能。附图说明图1为实施例一得到的铝基复合屏蔽材料的宏观照片；图2为实施例一得到的铝基复合屏蔽材料的微观形貌图。具体实施方式具体实施方式一：本实施方式一种铝基复合屏蔽材料按体积分数由1％～50％单质硼、1％～50％单质钨和1～99％含铝材料制成；所述的含铝材料为铝或铝合金。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述硼粉为富含10B同位素的单质硼，其中10B同位素的丰度为19％～99％，所述硼粉的粒径为0.1μm～50μm；所述钨粉的粒径为0.1μm～50μm。其他与具体实施方式一相同。具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述铝为工业纯铝；所述铝合金为Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Si-Cu-Mg合金和Ai-Zn-Mg合金中的一种或其中几种的组合；所述含铝材料的粒度为5μm～70μm。其他与具体实施方式一或二相同。具体实施方式四：本实施方式一种铝基复合屏蔽材料的制备方法是按以下步骤进行：一、按体积分数称取1％～50％硼粉、1％～50％钨粉和1～99％含铝材料；所述的含铝材料为铝或铝合金；二、将步骤一称取的1％～50％硼粉、1％～50％钨粉和1～99％含铝材料放入球磨罐中，在转速100～300r/min的条件下球磨1～5h，得到混合粉体；三、将混合粉体过20～100目筛后放入真空干燥箱中，在温度为60～100℃的条件下烘干2～4h，得到干燥的粉体；四、将干燥的粉体倒入石墨模具中，在压力为5～15MPa条件下保压10～20min，制成素坯；五、将素坯连同模具置于放电等离子烧结炉中，抽真空，以30～120℃/min的速率将放电等离子烧结炉中的温度从室温升至450～650℃，在温度为450～650℃的条件下施加25～55MPa的压力，保温保压5～25min，随炉冷却至室温，脱模，得到铝基复合屏蔽复合材料。具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤一中所述硼粉为富含10B同位素的单质硼，其中10B同位素的丰度为19％～99％，所述硼粉的粒径为0.1μm～50μm；所述钨粉的粒径为0.1μm～50μm。其他与具体实施方式四相同。具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四或五不同的是：步骤一中所述铝为工业纯铝；所述铝合金为Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Si-Cu-Mg合金和Ai-Zn-Mg合金中的一种或其中几种的组合；所述含铝材料的粒度为5μm～70μm。其他与具体实施方式四或五相同。具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四至六之一不同的是：步骤一中按体积分数称取50％硼粉、5％钨粉和45％含铝材料。其他与具体实施方式四至六之一相同。具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式四至七之一不同的是：步骤一中按体积分数称取3％硼粉、50％钨粉和47％含铝材料。其他与具体实施方式四至七之一相同。具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式四至八之一不同的是：步骤一中按体积分数称取20％钨粉、5％硼粉和75％含铝材料。其他与具体实施方式四至八之一相同。具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式四至九之一不同的是：步骤二中所述球磨的球墨比为(1～7):1。其他与具体实施方式四至九之一相同。具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式四至十之一不同的是：步骤二中所述球磨的磨球是直径为3～15mm的氧化铝、玛瑙或氧化锆球。其他与具体实施方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝基复合屏蔽材料，其特征在于铝基复合屏蔽材料按体积分数由1％～50％硼粉、1％～50％钨粉和1～99％含铝材料制成；所述的含铝材料为铝或铝合金。

【技术特征摘要】
1.一种铝基复合屏蔽材料，其特征在于铝基复合屏蔽材料按体积分数由1％～50％硼粉、1％～50％钨粉和1～99％含铝材料制成；所述的含铝材料为铝或铝合金。2.根据权利要求1所述的一种铝基复合屏蔽材料，其特征在于所述硼粉为富含10B同位素的单质硼，其中10B同位素的丰度为19％～99％，所述硼粉的粒径为0.1μm～50μm；所述钨粉的粒径为0.1μm～50μm。3.根据权利要求1所述的一种铝基复合屏蔽材料，其特征在于所述铝为工业纯铝；所述铝合金为Al-Si合金、Al-Cu合金、Al-Mg合金、Al-Si-Cu合金、Al-Si-Mg合金、Al-Cu-Mg合金、Al-Si-Cu-Mg合金和Ai-Zn-Mg合金中的一种或其中几种的组合；所述含铝材料的粒度为5μm～70μm。4.如权利要求1所述一种铝基复合屏蔽材料的制备方法，其特征在于铝基复合屏蔽材料的制备方法是按以下步骤进行：一、按体积分数称取1％～50％硼粉、1％～50％钨粉和1～99％含铝材料；所述的含铝材料为铝或铝合金；二、将步骤一称取的1％～50％硼粉、1％～50％钨粉和1～99％含铝材料放入球磨罐中，在转速100～300r/min的条件下球磨1～5h，得到混合粉体；三、将混合粉体过20～100目筛后放入真空干燥箱中，在温度为60～100℃的条件下烘干2～4h，得到干燥的粉...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔菁，武高辉，汪雨佳，杨文澍，陈国钦，姜龙涛，张强，修子扬，康鹏超，芶华松，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23