一种互穿型莫来石/碳化硼泡沫陶瓷耐高温中子屏蔽材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种互穿型莫来石/碳化硼泡沫陶瓷耐高温中子屏蔽材料及其制备方法，属于泡沫陶瓷材料和聚合物复合材料制备技术领域；本发明专利技术采用有机泡沫浸渍法制备碳化硼泡沫陶瓷的前驱体，采用莫来石结构增强碳化硼泡沫陶瓷，采用氩气保护、无压烧结的方式煅烧碳化硼泡沫陶瓷，采用真空浸渍的方式填充液态树脂于泡沫陶瓷的孔隙，采用热固化的方式原位固化液态树脂于孔隙中，最后形成一种具有互穿相的新型中子屏蔽材料。本发明专利技术所制备的中子屏蔽材料质轻、耐高温、耐辐照、耐化学腐蚀、力学强度高且中子屏蔽性能好；在保持陶瓷材料作为高温结构材料的前提下，还兼具聚合物材料的优良特性。性。性。

【技术实现步骤摘要】
一种互穿型莫来石/碳化硼泡沫陶瓷耐高温中子屏蔽材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于泡沫陶瓷材料和聚合物复合材料制备
，具体涉及一种互穿型莫来石/碳化硼泡沫陶瓷耐高温中子屏蔽材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着国防科研、放射医学和核电工业的迅速发展，对辐射屏蔽材料的性能要求越来越高。由于中子不带电且具有很强的穿透性，会直接与物质中的原子核相互作用，与同等能量的α、β和γ等射线相比，对人体造成的损伤更大，因此研制出优良的中子屏蔽材料尤为重要。多年来，我国在中子辐射防护材料方面积累了一定技术和经验，屏蔽混凝土、高硼钢和铅硼聚乙烯等屏蔽材料已被广泛用于核反应堆屏蔽系统。但随着快堆、小型核动力堆以及其他可移动辐射源应用的增加，上述屏蔽材料已经很难满足其辐射防护设计的特殊需求：一般屏蔽混凝土单位体积屏蔽率低，体积大难以移动，且其强度相对较低；传统高硼钢强度很高，但添加过多元素（尤其是重金属元素）会导致材料强韧性破坏，且含硼钢中硼含量普遍偏低，其对热中子屏蔽效果较差；铅硼聚乙烯具有优异的热中子和γ射线屏蔽效果，但由于铅和B4C难以均匀分布，环境友好性差，且聚乙烯耐热温度低，抗辐照效应差，力学强度不高，限制了其使用。因此，制备高性能的新型中子辐射防护复合材料已成为中子防护领域亟待解决的重要课题。
[0003]目前，陶瓷基复合材料和聚合物复合材料凭借其本身的优良特性，开始作为新兴的中子辐射防护材料为人关注。陶瓷基复合材料具有高硬度、高耐磨性、耐高温和耐腐蚀性，同时具有较高的抗弯强度和抗压强度；而高分子复合材料质轻、耐辐照、耐腐蚀，易塑形，其高的延展性同时也能弥补陶瓷基复合材料抗拉强度不高的缺陷。在中子防护领域，陶瓷基复合材料应用最多的陶瓷材料为碳化硼陶瓷；碳化硼陶瓷一般较为坚硬，但由于碳化硼的熔点高达2350℃，塑性差，晶界移动阻力很大，因此纯碳化硼陶瓷的烧结条件苛刻，制备困难，工艺成本极高。为制备陶瓷与聚合物结合为互穿相的复合材料，碳化硼陶瓷选择制备为多孔泡沫状，导致煅烧时无法使用热压烧结的烧结方式，进一步导致了碳化硼陶瓷烧结的困难。为此，需选用合适的方法和手段，降低生产成本的同时保留碳化硼陶瓷骨架原有的强度，制备性能优异的碳化硼陶瓷骨架，是目前需要解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种互穿型莫来石/碳化硼泡沫陶瓷耐高温中子屏蔽材料及其制备方法，采用氩气保护、无压烧结的方式煅烧碳化硼泡沫陶瓷，具有产量大、不限制产品形状、生产成本低等特点。
[0005]为解决以上技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种互穿型莫来石/碳化硼泡沫陶瓷耐高温中子屏蔽材料，所述屏蔽材料为聚合物材料在陶瓷材料骨架中原位固化形成互穿相的结构，所述陶瓷材料与聚合物材料在彼此
的体系中表现为三维网状结构，两相间相互纠缠形成三维拓扑结构；所述陶瓷材料为氧化铝、高岭土、碳化硼和金属氧化物烧结而成，所述聚合物材料为液态硼改性酚醛树脂热固化而成。
[0006]一种互穿型莫来石/碳化硼泡沫陶瓷耐高温中子屏蔽材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、配料：将10~30份质量的碳化硼微粉、40~60份质量的氧化铝微粉、10~30份质量的超细高岭土，以及烧结助剂5~10份金属氧化物混合，得到100份质量的混合粉体Ⅰ；再向25~100份质量的去离子水中加入0.3~1.0份质量的聚羧酸盐、0.3~1.5份质量的羧甲基纤维素钠、0.3~1.5份质量的聚乙烯醇和0.1~2.0份质量的无水乙醇，得到混合溶液Ⅱ；步骤二、混料、浸渍：将步骤一得到的混合粉体Ⅰ、混合溶液Ⅱ进行球磨1~4h，制得最后浆体Ⅲ；将聚氨酯海绵浸入10wt%NaOH溶液20~30min预处理，取出海绵进行冲洗、干燥，随后再浸入浆体Ⅲ中，除去多余的浆料，制得碳化硼泡沫陶瓷的前驱体；步骤三、煅烧：将浸渍后的碳化硼泡沫陶瓷前驱体进行干燥；将干燥后的碳化硼泡沫陶瓷前驱体进行煅烧，煅烧采用氩气保护、无压烧结的方式，升温速率采用程序控温的方式；最后在最终温度1300~1500℃下保温2~5h，随炉冷却至室温，即得到碳化硼泡沫陶瓷；步骤四、填充、固化：将碳化硼泡沫陶瓷用硅烷偶联剂kh
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550进行预处理并烘干，随后将液态树脂水浴加热40~80℃，加入具有中子屏蔽性能的功能微粉机械搅拌20~60min，将混合均匀的液态树脂和碳化硼泡沫陶瓷抽真空至
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10~40kpa保持0.5h释压，随后采用阶段升温的方式进行热固化处理，在最终固化温度保温2~3h后随炉冷却至室温，即得到互穿型莫来石/碳化硼泡沫陶瓷耐高温中子屏蔽材料。
[0007]以上所述步骤中，步骤一中所述的烧结助剂为氧化镁、氧化钇或二氧化钛中的一种或多种的混合，其中氧化镁、氧化钇或二氧化钛的平均粒径≤100nm；所述的碳化硼微粉的粒径≤4μm；所述的氧化铝微粉的粒径≤2μm；所述的超细高岭土的粒径≤5μm；步骤二中所述球磨的球料比为（1~3）:1，球磨时间为1~4h；所述的聚氨酯海绵为10ppi，尺寸为50mm*50mm*20mm；通过离心甩浆和鼓风喷吹的方式除去多余的浆料，重复该方法1~4次；步骤三中碳化硼泡沫陶瓷前驱体干燥的过程为：在室温下自然干燥12~24h，随后放置于干燥箱内50~80℃干燥12~24h；所述的碳化硼泡沫陶瓷前驱体煅烧的过程为：在室温~200℃时，升温速率2℃/min；在200~650℃时，升温速率1℃/min；在650~900℃时，升温速率2℃/min；在900℃保温1h；在900~终点温度时，升温速率3℃/min；最后在终点温度保温3h，随炉冷却至常温；步骤四中所述的液态树脂为热固性硼改性酚醛树脂，所述热固性硼改性酚醛树脂中硼元素质量百分含量为15%；所述的具有中子屏蔽性能的功能微粉为硼酸锌、碳化硼、氮化硼、氧化钆和丙烯酸钆的一种或多种的混合所述的热固化过程为：按10℃/h升温，室温~80℃，80℃保温12~18h；80~90℃，90℃保温1h；90~100℃，100℃保温1h；100~110℃，110℃保温1h；最后110~120℃，120℃保温2~3h，后处理150℃保温3h随炉冷却。
[0008]有益效果：本专利技术提供了一种互穿型莫来石/碳化硼泡沫陶瓷耐高温中子屏蔽材料及其制备方法，采用氩气保护、无压烧结的方式煅烧碳化硼泡沫陶瓷，具有产量大、不限制产品形状、生产成本低等特点，适合于规模化生产。本专利技术采用高岭土与氧化铝高温下产生的莫来石结构来补强无压烧结碳化硼陶瓷时由于碳化硼烧结的致密性不高造成硬度和强度稳定性差的缺陷；采用耐高温的液态树脂在碳化硼陶瓷骨架中原位固化的方式，使新型中子屏蔽材料形成了互穿相的结构；其中陶瓷材料与聚合物材料在彼此的体系中表现为三维网状结构，两相间相互纠缠从而形成三维拓扑结构；本专利技术设计的新型中子屏蔽材料除了满足中子屏蔽的需求以外，还能在300℃的高温场景长期使用，并且化学稳定性好，耐腐蚀性和耐辐照性能优异。本专利技术在保持陶瓷材料作为高温结构材料的前提下，新型中子屏蔽材料兼具聚合物材料化学稳定性高，耐腐蚀、耐辐照和延展性好等优良特性，为新本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种互穿型莫来石/碳化硼泡沫陶瓷耐高温中子屏蔽材料，其特征在于，所述屏蔽材料为聚合物材料在陶瓷材料骨架中原位固化形成互穿相结构，所述陶瓷材料与聚合物材料在彼此的体系中表现为三维网状结构，两相间相互纠缠形成三维拓扑结构。2.一种互穿型莫来石/碳化硼泡沫陶瓷耐高温中子屏蔽材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、配料：将10~30份质量的碳化硼微粉、40~60份质量的氧化铝微粉、10~30份质量的超细高岭土，以及烧结助剂5~10份金属氧化物混合，得到100份质量的混合粉体Ⅰ；再向25~100份质量的去离子水中加入0.3~1.0份质量的聚羧酸盐、0.3~1.5份质量的羧甲基纤维素钠、0.3~1.5份质量的聚乙烯醇和0.1~2.0份质量的无水乙醇，得到混合溶液Ⅱ；步骤二、混料、浸渍：将步骤一得到的混合粉体Ⅰ、混合溶液Ⅱ进行球磨1~4h，制得最后浆体Ⅲ；将聚氨酯海绵浸入10wt%NaOH溶液20~30min预处理，取出海绵进行冲洗、干燥，随后再浸入浆体Ⅲ中，除去多余的浆料，制得碳化硼泡沫陶瓷的前驱体；步骤三、煅烧：将浸渍后的碳化硼泡沫陶瓷前驱体进行干燥；将干燥后的碳化硼泡沫陶瓷前驱体进行煅烧，煅烧采用氩气保护、无压烧结的方式，升温速率采用程序控温的方式；最后在最终温度1300~1500℃下保温2~5h，随炉冷却至室温，即得到碳化硼泡沫陶瓷；步骤四、填充、固化：将碳化硼泡沫陶瓷用硅烷偶联剂kh
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550进行预处理并烘干，随后将液态树脂水浴加热40~80℃，加入具有中子屏蔽性能的功能微粉机械搅拌20~60min，将混合均匀的液态树脂和碳化硼泡沫陶瓷抽真空至
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10~40kpa保持0.5h释压，随后采用阶段升温的方式进行热固化处理，在最终固化温度保温2~3h后随炉冷却至室温，即得到互穿型莫来石/碳化硼泡沫陶瓷耐高温中子屏蔽材料。3.根据权利要求2所述的互穿型莫来石/碳化硼泡沫陶瓷耐高温中子屏蔽材料的制备方法，其特征在于，步骤一中所述的烧结助剂的平均粒径≤100nm；所述的碳化硼微粉的粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴耀东，刘云福，常树全，姚初清，刘峰，蒋丹枫，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：