一种兼具辐照屏蔽效应和隔热保温性能的稀土基气凝胶材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术提供了一种兼具辐照屏蔽效应和隔热保温性能的稀土基气凝胶材料及其制备和应用，该材料包括气凝胶基体材料和稀土基材料，所述稀土基材料与气凝胶基体材料复合，所述稀土基材料选自锆酸稀土、钛酸稀土、钨酸稀土、铈酸稀土中的一种或多种；其中，所述稀土基材料的含量为1wt％～45wt％。本发明专利技术通过稀土基材料在气凝胶中的复合有效地将辐照屏蔽性和防火隔热保温性相结合，制备的材料特别适用于核工领域中的辐射屏蔽和防火隔热保温需求。

A rare earth aerogel material with radiation shielding effect and heat insulation performance and its preparation and Application

【技术实现步骤摘要】
一种兼具辐照屏蔽效应和隔热保温性能的稀土基气凝胶材料及其制备和应用
本专利技术属于纳米多孔保温材料及其制备
，特别是一种兼具辐照屏蔽效应和隔热保温性能的稀土基气凝胶材料及其制备方法和应用。
技术介绍
核反应堆回路系统(包括一回路系统和二回路系统等)中一般均需要设置一个辐射屏蔽层和一个隔热保温层，其中，利用辐射屏蔽层防止放射性射线对人的伤害，利用隔热保温层减少热损耗，提高能量利用率。传统的辐射屏蔽层中主要选择的材料有铅(Pb)、硼-10(10B)和镉(Cd)，其中，10B和Cd主要应用于核反应堆控制棒和防护屏。近年来，有研究提出将稀土元素引入辐射屏蔽层以替代上述的传统材料，主要是基于大部分稀土元素的热中子(n,γ)吸收截面都非常大，其中钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)的热中子(n,γ)吸收截面分别为5600，4300，4600010-28·m2，均高于所述硼-10(10B，380010-28·m2)和镉(Cd，245010-28·m2)等；另外，传统的铅(Pb)屏蔽材料对能量在40～88keV的射线存在弱吸收区，而稀土元素则可以弥补Pb的弱吸收区。目前已建核电站主要采用的是玻璃棉纤维保温材料；第三代核电站主要采用的是金属反射型保温材料和核级玻璃棉纤维，其功能单一，且由于受到高温和高能射线的长时间作用材料本身会发生不可逆转的变化，从而导致性能劣化的问题。近年来，有提出使用无机气凝胶作为所述隔热保温层材料的，无机气凝胶是一种由纳米粒子相互聚集而形成的具有纳米级多孔结构的材料，其高孔隙率降低了固相材料的热传导，纳米多孔结构抑制了其中气体的对流传热，多重孔壁降低了辐照传热；因此，有报道提出将其应用于核反应堆的隔热保温层中实现其隔热保温的作用。但是，仍存在阻燃性能差、功能单一等缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种对核反应堆回路系统的辐射可以进行有效屏蔽，并减小热量损耗的新型兼具辐照屏蔽效应、隔热保温性能和优异的阻燃耐火性能的稀土基气凝胶材料及其制备方法和应用。本文将锆酸稀土、钛酸稀土、钨酸稀土、铈酸稀土引入气凝胶基体材料中得到了所述稀土基气凝胶材料。制备得到的复合材料可以用于核反应堆回路系统中替代现有的所述辐射屏蔽层和隔热保温层，且本专利技术制备的复合材料兼具辐照屏蔽效应、隔热保温性能和优异的阻燃耐火性能。具体而言，其保温性能相较于气凝胶基体材料提升，导热系数仅为0.023～0.8W/(m·K)；对比气凝胶基体材料，所述材料增加了对(n,γ)辐射屏蔽的新性能，其中子及γ射线阻隔效率提高3-10倍，同时，耐辐照寿命由3000年提高到300000年；另外，其还具有较好的耐火性能，可以达到A级阻燃级别(GB8624—2012)，远远优于气凝胶基体材料。本文公开以下技术方案：一种稀土基气凝胶材料，该材料包括气凝胶基体材料和稀土基材料，所述稀土基材料与气凝胶基体材料复合，所述稀土基材料选自锆酸稀土、钛酸稀土、钨酸稀土、铈酸稀土中的一种或多种；其中，所述稀土基材料的含量为1wt％～45wt％。其中，所述复合是指稀土基材料与气凝胶基体材料在纳米尺度的混合，共同构成的稀土基气凝胶材料的骨架结构。其中，所述稀土基气凝胶材料的体密度为70～180g/m3，导热系数为0.023～0.8W/(m·K)，气孔率为85％～98％。其中，所述气凝胶基体材料是一种具有纳米多孔结构的无机材料。其中，根据使用温度和环境的不同，所述气凝胶基体材料可以是二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶、二氧化钛气凝胶等中一种或多种的混合气凝胶。其中，所述锆酸稀土、钛酸稀土、钨酸稀土、铈酸稀土中的稀土元素为镧、铈、钐、铕、钆、镝、钬、铒、镱、钇、钪中的一种或多种。其中，所述锆酸稀土为锆酸镧、锆酸钐、锆酸钆、锆酸铕、锆酸镝等中的一种或多种；所述钛酸稀土为钛酸镧、钛酸钐、钛酸钆、钛酸铕、钛酸镝等中的一种或多种；所述钨酸稀土为钨酸镧、钨酸钐、钨酸钆、钨酸铕、钨酸镝等中的一种或多种；所述铈酸稀土为铈酸镧、铈酸钐、铈酸钆、铈酸铕、铈酸镝等中的一种或多种。本文还提供如下技术方案：一种上述稀土基气凝胶材料的制备方法，其包括以下步骤：(1)将稀土基材料的前驱体和气凝胶基体材料的前驱体混合，并溶解于溶剂中，任选地在静置条件下完全水解，得到混合体系；或者，将稀土基材料的前驱体溶解于溶剂中，并加入气凝胶基体的前驱体，任选地在静置条件下完全水解，得到混合体系；或者，将气凝胶基体材料的前驱体溶解于溶剂中，任选地在静置条件下完全水解，然后加入稀土基材料的纳米粉体和任选地助分散剂，得到混合体系；(2)步骤(1)的混合体系任选地加入网络诱导剂，静置，凝胶化，得到稀土基复合湿凝胶材料；(3)将步骤(2)的稀土基复合湿凝胶材料中的液体替换成气体，任选地进行热处理，即得到所述稀土基气凝胶材料。根据本专利技术的实施方式，上述稀土基气凝胶材料的制备方法，其包括以下步骤：(1)将稀土基材料的前驱体和气凝胶基体材料的前驱体混合，并溶解于溶剂中，任选地在静置条件下完全水解，得到混合体系；或者，将稀土基材料的前驱体溶解于溶剂中，并加入气凝胶基体的前驱体，任选地在静置条件下完全水解，得到混合体系；(2)步骤(1)的混合体系任选地加入网络诱导剂，静置，凝胶化，得到稀土基复合湿凝胶材料；(3)将步骤(2)的稀土基复合湿凝胶材料中的液体替换成气体，进行热处理，即得到所述稀土基气凝胶材料。根据本专利技术的实施方式，上述稀土基气凝胶材料的制备方法，其包括以下步骤：(1)将气凝胶基体材料的前驱体溶解于溶剂中，任选地在静置条件下完全水解，然后加入稀土基材料的纳米粉体和任选地助分散剂，得到混合体系；(2)步骤(1)的混合体系任选地加入网络诱导剂，静置，凝胶化，得到稀土基复合湿凝胶材料；(3)将步骤(2)的稀土基复合湿凝胶材料中的液体替换成气体，即得到所述稀土基气凝胶材料。根据本专利技术的实施方式，步骤(1)中，所述稀土基材料的前驱体例如包括可溶性稀土盐，以及锆、钛、钨或铈的可溶性化合物中的一种或多种；示例性地，所述稀土基材料的前驱体包括可溶性稀土盐，以及可溶性锆盐、可溶性钛盐、可溶性钨盐或可溶性铈盐中的一种或多种。其中，术语“可溶性”是指具有可溶于所用的溶剂中的特性。其中，所述可溶性稀土盐例如可以是可溶性稀土硝酸盐、氯盐或硫酸盐，如硝酸镧、氯化镧、硝酸铕、硝酸钆等中的一种或多种。其中，所述可溶性锆盐例如可以是硝酸锆、硝酸氧锆、氯氧锆等中的一种或多种；可溶性钛盐例如可以是硫酸钛等；可溶性钨盐例如可以是氯化钨、钨酸铵等中的一种或多种；可溶性铈盐例如可以是硝酸铈、氯化铈等中的一种或多种。根据本专利技术的实施方式，步骤(1)中，所述稀土基材料的纳米粉体例如可以是锆酸稀土纳米粉体、钛酸稀土纳米粉体、钨酸稀土纳米粉体或铈酸稀土纳米粉体中的一种或多种。其中，所述的锆酸稀土、钛酸稀土、钨酸稀土或铈酸稀土的定义如上所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种稀土基气凝胶材料，该材料包括气凝胶基体材料和稀土基材料，所述稀土基材料与气凝胶基体材料复合，所述稀土基材料选自锆酸稀土、钛酸稀土、钨酸稀土、铈酸稀土中的一种或多种；其中，所述稀土基材料的含量为1wt％～45wt％。/n

【技术特征摘要】
20180606 CN 201810573979X1.一种稀土基气凝胶材料，该材料包括气凝胶基体材料和稀土基材料，所述稀土基材料与气凝胶基体材料复合，所述稀土基材料选自锆酸稀土、钛酸稀土、钨酸稀土、铈酸稀土中的一种或多种；其中，所述稀土基材料的含量为1wt％～45wt％。


2.根据权利要求1所述的稀土基气凝胶材料，其中，所述稀土基气凝胶材料的体密度为70～180g/m3，导热系数为0.023～0.8W/(m·K)，气孔率为85％～98％。


3.根据权利要求1或2所述的稀土基气凝胶材料，其中，所述气凝胶基体材料是一种具有纳米多孔结构的无机材料。
优选地，所述气凝胶基体材料是二氧化硅气凝胶、氧化铝气凝胶、氧化锆气凝胶、二氧化钛气凝胶中一种或多种的混合气凝胶。


4.根据权利要求1-3任一项所述的稀土基气凝胶材料，其中，所述锆酸稀土、钛酸稀土、钨酸稀土、铈酸稀土中的稀土元素为镧、铈、钐、铕、钆、镝、钬、铒、镱、钇、钪中的一种或多种。
优选地，所述锆酸稀土为锆酸镧、锆酸钐、锆酸钆、锆酸铕、锆酸镝中的一种或多种；所述钛酸稀土为钛酸镧、钛酸钐、钛酸钆、钛酸铕、钛酸镝中的一种或多种；所述钨酸稀土为钨酸镧、钨酸钐、钨酸钆、钨酸铕、钨酸镝中的一种或多种；所述铈酸稀土为铈酸镧、铈酸钐、铈酸钆、铈酸铕、铈酸镝中的一种或多种。


5.权利要求1-4任一项所述稀土基气凝胶材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将稀土基材料的前驱体和气凝胶基体材料的前驱体混合，并溶解于溶剂中，任选地在静置条件下完全水解，得到混合体系；或者，
将稀土基材料的前驱体溶解于溶剂中，并加入气凝胶基体的前驱体，任选地在静置条件下完全水解，得到混合体系；或者，
将气凝胶基体材料的前驱体溶解于溶剂中，任选地在静置条件下完全水解，然后加入稀土基材料的纳米粉体和任选地助分散剂，得到混合体系；
(2)步骤(1)的混合体系任选地加入网络诱导剂，静置，凝胶化，得到稀土基复合湿凝胶材料；
(3)将步骤(2)的稀土基复合湿凝胶材料中的液体替换成气体，任选地进行热处理，即得到所述稀土基气凝胶材料。


6.根据权利要求5所述的制备方法，其包括以下步骤：
(1)将稀土基材料的前驱体和气凝胶基体材料的前驱体混合，并溶解于溶剂中，任选地在静置条件下完全水解，得到混合体系；或者，
将稀土基材料的前驱体溶解于溶剂中，并加入气凝胶基体的前驱体，任选地在静置条件下完全水解，得到混合体系；
(2)步骤(1)的混合体系任选地加入网络诱导剂，静置...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帆，赵志钢，白瑞熙，
申请(专利权)人：厦门稀土材料研究所，
类型：发明
国别省市：福建;35