一种高碳化硼含量磷酸镁基中子屏蔽胶凝材料制造技术

本发明专利技术公开了一种高碳化硼含量磷酸镁基中子屏蔽胶凝材料，以质量份数计，该胶凝材料包括：重烧氧化镁为16.1~42份，磷酸二氢钾为20~49份，缓凝剂为0.9~2.6份，碳化硼为20~55份。本发明专利技术独特地控制氧化镁与磷酸盐的质量比在4：7左右，使得碳化硼含量达到20%~55%时材料依然保持高的抗压强度，同时具有更加优异的中子吸收能力，该胶凝材料具有高强度（28d抗压强度接近60MPa），较长的凝结时间（初凝时间介于15~60min之间），高的中子屏蔽性能（20mm厚材料对1~100ev热中子的吸收率大于99.5%，100mm厚材料对1~10kev中能中子的吸收率大于98.7%）等特点。可用作核反应堆或各类中子源的辐射屏蔽。可用作核反应堆或各类中子源的辐射屏蔽。可用作核反应堆或各类中子源的辐射屏蔽。

【技术实现步骤摘要】
Materials,2018,164.)研究了四种不同的辐射屏蔽物质（钙锰矿，方钠石，硼砂和碳化硼）对普通波特兰水泥水化过程和力学性能的影响。该研究结果表明钙锰矿对硼元素含量的提高最有利，但在其极限含量下养护28天的抗压强度也只有45.6Mpa。碳化硼的加入量为10%时，水泥养护28天的抗压强度为44Mpa，并且对波特兰水泥的水化过程无明显影响，无法延长水泥初凝时间。而方钠石和硼砂则会严重损害水泥的水化结合。另外文献（Ayhan Demirba
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,Selami Karslio
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lu. The effect of boric acid sludges containing borogypsum on properties of cement[J]. Cement and Concrete Research,1995,25(7)）研究了不同含量的硼泥对水泥材料力学性能的影响，结果发现加入4wt%的硼泥后水泥90天的抗压强度较对比样下降了65%。
[0006]针对在普通硅酸盐水泥中加入添加剂以制备高性能辐射屏蔽材料的研究，文献(S.J. Park,J.G. Jang,H.K. Lee. Computational investigation of the neutron shielding and activation characteristics of borated concrete with polyethylene aggregate[J]. Journal of Nuclear Materials,2014,452(1
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3))研究了以聚乙烯骨料代替硼砂混凝土的中子衰弱和活化性能。由于以往研究中说明含硼化合物对水泥的力学性能存在明显不利影响，所以上述实验中碳化硼含量控制在4wt%以下，并加入高含量的聚乙烯骨料，最高50wt%。从其蒙特卡洛模拟结果中发现，对于热中子屏蔽，聚丙烯骨料的加入无意义。对于1kev的中能中子，50mm厚的材料样品的吸收率要低于50%。同时聚合物不耐高温的特性会直接影响到该材料在高温环境下的使用，所以希望以高含量的聚合物来替代碳化硼会在受到实际使用环境的限制。
[0007]针对磷酸镁水泥的研究，文献（Ai
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juan Wang, Zhi
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long Yuan, Jiao Zhang,Lin
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tao Liu, Jun
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ming Li, Zheng Liu. Effect of raw material ratios on the compressive strength of magnesium potassium phosphate chemically bonded ceramics[J]. Materials science & engineering,2013,33(8).）公开了不同原材料配比对磷酸镁水泥各项性能的影响，重烧氧化镁与磷酸盐重量比的变化对水泥凝固时间影响不大，但对材料抗压强度存在明显影响。当M:P为1:1时，由于存在大量弱相磷酸盐所以材料强度较低，随着M:P的增大，材料抗压强度逐渐增加，并在M:P为4:1处达到最大值，此后抗压强度开始下降，这是由于M:P过高时，主要水化产物钾
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鸟粪石的结合不良从而导致抗压强度的下降。
[0008]关于磷酸镁水泥中子屏蔽材料的研究，文献（Singh D, Jeong S Y. Radiation shielding phosphate bonded ceramics using enriched isotopic boron compounds: U.S. Patent Application 09/791,422[P]. 2002
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7.）公开了一种磷酸镁水泥基体的新型辐射屏蔽材料，为了是材料具有良好的中子屏蔽性能的同时也具有优良的γ
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射线屏蔽性能，在磷酸镁基体中加入一定量1wt%~20wt%的碳化硼，1wt%~15wt%的Bi2O3，1wt%~35wt%的Fe2O3，1wt%~50wt%的Fe3O4，5wt%~50wt%的Pb以及1wt%~20wt%的Al棒。除碳化硼以外其他添加剂的加入在于提高材料的密度和增加γ
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射线屏蔽物质的含量。但该材料为了提高高能射线的吸收性能加入过多添加剂。材料制备工艺复杂，力学性能不佳，不利于大型建筑工程的施工，同时中子屏蔽性能还需进一步提高。

技术实现思路

[0009]针对现有含硼复合材料在应用到中子源辐射屏蔽方向时存在的含硼化合物含量低，力学性能差，耐热性能差及不耐腐蚀的问题，本专利技术的目的在于提供一种碳化硼含量高，力学性能优良且耐热耐腐蚀的磷酸镁基中子屏蔽胶凝材料。
[0010]为实现本专利技术的目的，提供一下技术方案：一种高碳化硼含量磷酸镁基中子屏蔽胶凝材料，其中，以质量份数计，重烧氧化镁为16.1~42份，磷酸二氢钾为20~49份，缓凝剂为0.9~2.6份，碳化硼为20~55份。
[0011]进一步的，重烧氧化镁与磷酸二氢钾的质量比为1:0.85~1:1.7。
[0012]进一步的，重烧氧化镁采用1450℃重烧氧化镁。
[0013]进一步的，缓凝剂采用十水合四硼酸钠。
[0014]进一步的，磷酸二氢盐采用150目以上粒径的磷酸二氢盐。
[0015]进一步的，碳化硼采用80~1500目粒径的碳化硼。
[0016]进一步的，该胶凝材料28d抗压强度大于15MPa，最高58.6MPa，凝结时间在15min以上。
[0017]进一步的，该胶凝材料对1~100ev的热中子具有极高的屏蔽能力，20mm厚材料的中子吸收率大于99.59%，40mm厚材料的中子吸收率大于100%；对1kev~10kev的中能中子，20mm厚材料的中子吸收率大于48.75%，100mm厚材料的中子吸收率大于98.72%；对于1Mev以上的高能中子，100mm厚材料的中子吸收率大于46.9%。
[0018]更进一步的，当重烧氧化镁为20质量份，磷酸二氢钾为34质量份，缓凝剂含量为1质量份，碳化硼含量为45质量份时，该胶凝材料28d抗压强度58.6MPa，初凝时间为23.5min；20mm厚材料对热中子的吸收率为99.59%，对10kev中能中子吸收率为48.75%，100mm厚材料对10kev中能中子吸收率为98.72%。
[0019]上述高碳化硼含量磷酸镁基中子屏蔽胶凝材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一：将各原材料充分混合均匀；步骤二：按固液比0.18向步骤一所得混合粉末中加入纯净水，搅拌均匀后填入水泥试模中，置于温度为25
±
3℃，相对湿度大于90%的环境中，1h后脱模并进行空气养护28d以上，得到所述的高碳化硼含量磷酸镁基中子屏蔽胶凝材料。
[0020]与现有技术相比，其有益效果是：（1）本专利技术选取磷酸镁陶瓷作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高碳化硼含量磷酸镁基中子屏蔽胶凝材料，其特征在于，以质量份数计，该胶凝材料包括：重烧氧化镁为16.1~42份，磷酸二氢钾为20~49份，缓凝剂为0.9~2.6份，碳化硼为20~55份。2.如权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，重烧氧化镁与磷酸二氢钾的质量比为1:0.85~1:1.7。3.如权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，重烧氧化镁采用1450℃重烧氧化镁。4.如权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，缓凝剂采用十水合四硼酸钠。5.如权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，磷酸二氢盐采用150目以上粒径的磷酸二氢盐。6.如权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，碳化硼采用80~1500目粒径的碳化硼。7.如权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，该胶凝材料28d抗压强度大于15MPa，最高58.6MPa，凝结时间在15min以上。8.如权利要求1所述的胶凝材料，其特征在于，该胶凝材料对1~100ev的热中子具有极高的屏蔽能力，20mm厚材料的中子吸收率大于99.59%，40mm厚材料的中子吸收率大于100...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪涛，查伟，张鑫鑫，王琪，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：