一种基于熔盐法的高锂含量氚增殖陶瓷小球制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于熔盐法的高锂含量氚增殖陶瓷小球制备方法，首先采用混合溶剂热法制备出粒径均一的前驱体粉体，再配制一定浓度的锂盐溶液，随后球磨得到浆料，并采用湿法成型获得球形陶瓷素坯，最终烧结制备正硅酸锂陶瓷小球。烧结过程中锂熔盐分解形成氧化锂，并最终固溶于正硅酸锂晶格中，不仅不会引入杂质(相比常规的熔盐法，免除了洗去熔盐的工序)，而且可达到提高锂原子密度的目的。本发明专利技术解决了现有技术中存在的氚增殖陶瓷制备方法难以在较低温度下获得致密度及强度的问题。

Preparation of tritium enriched ceramic pellets with high lithium content based on molten salt method

【技术实现步骤摘要】
一种基于熔盐法的高锂含量氚增殖陶瓷小球制备方法
本专利技术属于氚增殖材料
，具体涉及一种基于熔盐法的高锂含量氚增殖陶瓷小球制备方法。
技术介绍
作为聚变堆包层中的关键功能材料，氚增殖剂能够与中子反应生成氚，实现聚变堆燃料“自持”。锂基陶瓷具有化学稳定性好、可在更高的温度下使用、氚提取容易和实际操作性强等优点，因此从聚变堆的安全角度考虑，锂陶瓷氚增殖剂相比液态氚增殖剂(存在磁流体动力学效应、腐蚀性)更具吸引力。其中，正硅酸锂陶瓷因其锂密度高、释氚性能优异以及中子活化率低等优点，成为固态氚增殖剂的首选材料之一。虽然，国内外对锂陶瓷小球的制备及性能进行了大量的研究工作，但由于锂陶瓷微观结构对烧结温度变化异常敏感，使得正硅酸锂陶瓷致密化与晶粒长大之间的矛盾难以得到解决。提高烧结温度往往造成陶瓷晶粒尺寸偏大，使得氚生成后从晶粒到晶界扩散距离偏长，氚释放速率降低；且高温烧结下锂易升华，导致材料结构稳定性降低，无法实现正常的氚增殖。但降低烧结温度，又会损害陶瓷烧结致密度，进而导致强度降低。因此，开发致密度、强度满足需求的锂陶瓷低温烧结技术具有重要的科学意义及实用价值。此外，为实现氚自持及聚变堆稳态运行，要求氚增殖剂有较高的氚增殖比(Tritiumbreedingratio,TBR>1)，而氚增殖比取决于氚增殖剂的锂原子密度(锂原子密度越大，氚增殖比越大)。尽管正硅酸锂相比其他三元锂陶瓷具有较高的锂含量(23.33wt.％)，但高锂原子密度陶瓷的开发仍然是固态氚增殖剂的重要发展方向。通过添加过量的Li元素或氧化锂(46.67wt.％)是提高氚增殖剂锂原子密度、弥补材料工况环境使用中锂流失的有效途径。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于熔盐法的高锂含量氚增殖陶瓷小球制备方法，解决了现有技术中存在的氚增殖陶瓷制备方法难以在较低温度下获得致密度及强度的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种基于熔盐法的高锂含量氚增殖陶瓷小球制备方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、采用混合溶剂热法制备粒径均一的前驱体粉体；步骤2、制备陶瓷小球素坯；步骤3、制备锂陶瓷小球。本专利技术的特点还在于，步骤1具体如下：步骤1.1、将氢氧化锂加入到去离子水中，搅拌得到氢氧化锂溶液；步骤1.2、按锂/硅摩尔比4:1称量气相二氧化硅，加入到与去离子水等体积的乙醇中，搅拌得到气相二氧化硅的悬浮液；步骤1.3、将步骤1.2得到的气相二氧化硅的悬浮液加入到步骤1.1得到的氢氧化锂溶液中，搅拌获得锂离子浓度为0.5～1.5mol/L的混合液，将所得混合液转入反应釜中，在160～200℃反应至少12h，待反应结束后，将水热反应产物进行干燥，再将干燥所得物质研磨即得到前驱体粉体。步骤1.3中对所得水热反应产物进行干燥的方式为将水热反应产物温度控制为70～80℃保温不少于12h。步骤2具体如下：步骤2.1、将等摩尔比的氯化锂与硝酸锂加入到去离子水中，得到浓度为5wt.％～20wt.％的锂盐溶液；步骤2.2、将所述步骤1获得的前驱体粉体与步骤2.1得到的锂盐溶液球磨混合，调制成前驱体粉末浓度为1.1～1.3g/ml的浆料；步骤2.3、将步骤2.2得到的浆料滴入液氮中形成小球，最后将小球从液氮中取出干燥即得到锂陶瓷小球素坯。步骤2.3中浆料滴入液氮的滴速小于20滴/分钟。步骤2.3中将小球从液氮中取出干燥的方式为将小球放置于滤纸上风干后转入70～80℃恒温鼓风干燥箱中，保温不少于12h。步骤3具体如下：将所述步骤2获得的锂陶瓷小球素坯进行烧结，烧结温度控制为700～800℃，烧结时间不少于4h，烧结结束后冷却至室温即得到高锂含量的锂陶瓷氚增殖小球。本专利技术的有益效果是：1.本专利技术采用混合溶剂热法获得前驱体粉体，粉体粒径小、团聚少，有利于增加粉体颗粒与锂熔盐间的接触面积，实现快速、均匀烧结。2.本专利技术对湿法成型工艺进行了改善，采用一定浓度的锂溶液配制陶瓷浆料，烧结过程中，低熔点的锂共熔盐在300～400℃熔化，促使陶瓷颗粒在液相中发生重排，有利于提高陶瓷颗粒间接触面积，实现陶瓷快速致密化。3.本专利技术通过分析不同熔盐的分解产物，选用一定摩尔比的硝酸锂/氯化锂作为熔盐，不但不会引入过多杂质元素影响氚增殖陶瓷的物化性能，而且锂熔盐分解产物还可提高陶瓷锂原子密度，从而弥补高温服役环境中的锂流失。4.本专利技术有效地缓和了正硅酸锂陶瓷晶粒尺寸长大(需要尽可能降低烧结温度)和氚增殖陶瓷对高致密度、高强度要求间的矛盾(需要尽可能提高烧结温度)，成功制备出了具有较高致密度和强度的正硅酸锂陶瓷小球。而且，所述方法制备正硅酸锂陶瓷锂原子密度高、纯度高，有望作为下一代先进氚增殖材料。附图说明图1(a)为基于熔盐法制备高锂含量氚增殖陶瓷的示意图；图1(b)为基于熔盐法制备的高锂含量氚增殖陶瓷小球照片；图2(a)为实施例1制备的正硅酸锂陶瓷球横断面SEM照片；图2(b)为实施例1制备的正硅酸锂陶瓷球XRD图谱；图3(a)为实施例2制备的正硅酸锂陶瓷球横断面SEM照片；图3(b)为实施例2制备的正硅酸锂陶瓷球XRD图谱；图4(a)为实施例3制备的正硅酸锂陶瓷球横断面SEM照片；图4(b)为实施例3制备的正硅酸锂陶瓷球XRD图谱。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。考虑到锂共熔盐具有较低的熔点，烧结过程中熔融的锂盐优先形成液相，进而润湿陶瓷粉体颗粒，促使陶瓷颗粒重排，从而降低烧结温度，加快气孔排除速率，迅速实现陶瓷致密化(图1(a)为示意图)。同时，烧结过程中锂熔盐分解形成氧化锂，并最终固溶于正硅酸锂晶格中，不仅不会引入杂质(相比常规的熔盐法，免除了洗去熔盐的工序)，而且可达到提高锂原子密度的目的。基于上述专利技术构思，本专利技术的熔盐法制备高锂含量锂陶瓷氚增殖小球的主要工艺流程为首先采用混合溶剂热法制备出粒径均一的前驱体粉体，再配制一定浓度的锂盐溶液，随后球磨得到浆料，并采用湿法成型获得球形陶瓷素坯，最终烧结制备正硅酸锂陶瓷小球。本专利技术一种基于熔盐法的高锂含量氚增殖陶瓷小球制备方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、采用混合溶剂热法制备粒径均一的前驱体粉体，具体如下：步骤1.1、将氢氧化锂加入到去离子水中，搅拌得到氢氧化锂溶液；步骤1.2、按锂/硅摩尔比4:1称量气相二氧化硅，加入到与去离子水等体积的乙醇中，搅拌得到气相二氧化硅的悬浮液；步骤1.3、将步骤1.2得到的气相二氧化硅的悬浮液加入到步骤1.1得到的氢氧化锂溶液中，搅拌获得锂离子浓度为0.5～1.5mol/L的混合液，将所得混合液转入反应釜中，在160～200℃反应至少12h，待反应结束后，将水热反应产物进行干燥，再将干燥所得物质研磨即得到前驱体粉体。步骤1.3中对所得水热反应产物进行干燥的方式为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于熔盐法的高锂含量氚增殖陶瓷小球制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：/n步骤1、采用混合溶剂热法制备粒径均一的前驱体粉体；/n步骤2、制备陶瓷小球素坯；/n步骤3、制备锂陶瓷小球。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于熔盐法的高锂含量氚增殖陶瓷小球制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、采用混合溶剂热法制备粒径均一的前驱体粉体；
步骤2、制备陶瓷小球素坯；
步骤3、制备锂陶瓷小球。


2.根据权利要求1所述的一种基于熔盐法的高锂含量氚增殖陶瓷小球制备方法，其特征在于，所述步骤1具体如下：
步骤1.1、将氢氧化锂加入到去离子水中，搅拌得到氢氧化锂溶液；
步骤1.2、按锂/硅摩尔比4:1称量气相二氧化硅，加入到与去离子水等体积的乙醇中，搅拌得到气相二氧化硅的悬浮液；
步骤1.3、将步骤1.2得到的气相二氧化硅的悬浮液加入到步骤1.1得到的氢氧化锂溶液中，搅拌获得锂离子浓度为0.5～1.5mol/L的混合液，将所得混合液转入反应釜中，在160～200℃反应至少12h，待反应结束后，将水热反应产物进行干燥，再将干燥所得物质研磨即得到前驱体粉体。


3.根据权利要求2所述的一种基于熔盐法的高锂含量氚增殖陶瓷小球制备方法，其特征在于，所述步骤1.3中对所得水热反应产物进行干燥的方式为将水热反应产物温度控制为70～80℃保温不少于12h。


4.根据权利要求2所述的一种基于熔盐法的高...

【专利技术属性】
技术研发人员：宫溢超，卢铁城，张国君，刘林，李俊杰，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61