專利名稱：一種鋯酸鋰陶瓷球氚增殖材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于核能技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋯酸鋰陶瓷球氚增殖材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
固體氚增殖包層材料是商用核聚變堆的關(guān)鍵材料之一，其制備技術(shù)和熱工物理特性直接決定了包層的堆內(nèi)行為研究，是開展設(shè)計(jì)和研制氚增殖包層的必要基礎(chǔ)。磁約束核聚變能是人類未來可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略能源的技術(shù)選擇之一，根據(jù)目前國際磁約束聚變技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀預(yù)測，以托卡馬克聚變堆為標(biāo)志的磁約束核聚變堆商業(yè)技術(shù)極有可能在二十一世紀(jì)前三十年取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，開發(fā)潛在替代石化能源的清潔核聚變能技術(shù)的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。氚是人造核素并在氘-氚核聚變反應(yīng)中消耗，為了維持聚變堆的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，需要在聚變堆包層中進(jìn)行氚生產(chǎn)和增殖，以補(bǔ)充燃耗的氚。固體產(chǎn)氚材料的種類較多，目前已經(jīng)開展的相關(guān)研究工作主要集中于Li20、Li2Zr03、LiA102、Li2Ti03、Li2Si03、Li4Si04等幾種氚增殖劑的氚性能、機(jī)械性能和熱性能上。目前，Li4SiO4和Li2TiO3已分別成為歐洲和日本聚變堆產(chǎn)氚包層氚增殖劑的首選材料。從包層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來講，將增殖劑做成微球，若是單一尺寸分布，其在包層中的最緊密堆積填充率也只有67 %，考慮不同直徑微球的級配填充，最大填充量為80 %。制備方法主要包括日本針對Li2TiO3開發(fā)的轉(zhuǎn)動成型、濕法脫水成型、濕法TiO2加成成型，歐洲的擠出成型、力口熱團(tuán)聚成型以及熔融噴物成型等。而Li2ZrO3也是一種氚增殖材料，目前的制備方法主要是溶膠一凝膠法。這種方法制備球的效率高，但是在球燒結(jié)過程中，破損率也高，浪費(fèi)比較嚴(yán)重。`

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)不足，本發(fā)明提供了一種鋯酸鋰陶瓷球氚增殖材料及其制備方法。—種鋯酸鋰陶瓷球氚增殖材料的制備方法，其具體步驟如下:(I)將碳酸鋰和氧化鋯與過量無水乙醇混合在一起，其中碳酸鋰和氧化鋯的摩爾比值為1.1 1.2 ;(2)將步驟(I)得到的混合液使用氧化鋯陶瓷球作為磨球，在磨球機(jī)上混料4 5個(gè)小時(shí)；(3)把步驟(2)得到的混合料在烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，溫度設(shè)定為80 90 °C，烘干時(shí)間為8 12小時(shí)；(4)把混合料和坩堝都放入燒結(jié)爐內(nèi)，設(shè)定升溫曲線，使燒結(jié)爐平穩(wěn)升溫，對混合料進(jìn)行燒結(jié)；經(jīng)兩個(gè)小時(shí)升溫到500 600 °C，保溫3小時(shí)，然后再用兩個(gè)小時(shí)時(shí)間，升溫到 900。。 1000 °C，保溫 24 小時(shí)；反應(yīng)方程式為:Li2C03+Zr02 = Li2Zr03+C02 ；(5)把步驟(4)得到的燒結(jié)后的混合料重新加入過量無水乙醇，重新倒入磨粉罐內(nèi)，使用氧化鋯陶瓷球作為磨球，在磨球機(jī)上混合4個(gè)小時(shí)；(6)把步驟(5)得到的混合料在烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，溫度設(shè)定為80 90 °C，烘干時(shí)間為8 12小時(shí)；(7)把經(jīng)步驟(6)烘干后的混合料進(jìn)行粉碎，過篩；(8)把步驟(7)所得的混合料粉末裝入橡膠模具中，在等靜壓機(jī)上，對橡膠模具進(jìn)行加壓，所加壓力為100 200 MPa ；(9)把經(jīng)步驟(8)等靜壓后所得的陶瓷球在高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1200^1350 °C，保溫時(shí)間為5 8小時(shí)，即得到一種鋯酸鋰陶瓷球氚增殖材料。一種鋯酸鋰陶瓷球氚增殖材料，所述鋯酸鋰陶瓷球氚增殖材料的分子式為Li2ZrO3，其密度不小于4.01 g/cm3,即不小于β -Li2ZrO3的理論密度的96.55%，其導(dǎo)熱系數(shù)為 1.2 2.2 W/mK。本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明采用等靜壓的方法制備陶瓷球，比轉(zhuǎn)動成型、濕法脫水成型、濕法ZrO2加成成型的密度要高。其它方法制備的陶瓷球，均是在沒有外壓的情況下成型的，其成份的壓實(shí)度就不如等靜壓的方法。同時(shí)結(jié)構(gòu)在燒結(jié)過程中，還要釋放出二氧化碳，使球的密度更低，而在本發(fā)明中，首先制備了粉體，這些粉體已經(jīng)完全反應(yīng)，釋放出了二氧化碳，在第二步進(jìn)行陶瓷球燒結(jié)時(shí)，釋放的二氧化碳很少，這也使得所制備的鋯酸鋰陶瓷球密度更高。另外，如果要想繼續(xù)提高陶瓷球的密度，還可以把等靜壓的壓力提高，這樣獲得的陶瓷球密度會增加。本發(fā)明制備的鋯酸鋰材料比現(xiàn)有方法制備的陶瓷球密度更好，導(dǎo)熱系數(shù)也更高，更適于在聚變堆中作為包層增殖材料使用。


圖1為實(shí)施例1所制備的鋯酸鋰陶瓷球氚增殖材料的XRD圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種鋯酸鋰陶瓷球氚增殖材料及其制備方法，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。實(shí)施例1(I)將碳酸鋰0.11 mol、氧化鋯0.1 mol、100 ml乙醇混合；混合液使用氧化鋯陶瓷球作為磨球，在磨球機(jī)上混料4個(gè)小時(shí)。在80 °C溫度下，用烘箱烘干4小時(shí)。(2)把混合料在燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)。兩個(gè)小時(shí)升溫到600 °C，保溫3小時(shí)，再用兩個(gè)小時(shí)升溫到900 °C，保溫24小時(shí)。然后自然冷卻。取出后，在球磨機(jī)上使用氧化鋯陶瓷球進(jìn)行磨粉，磨4個(gè)小時(shí)，過篩。(3)把陶瓷粉末裝入橡膠模具中，在等靜壓機(jī)上，對橡膠模具進(jìn)行加壓，所加壓力為 150 MPa。(4)把等靜壓后的陶瓷球在高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為120(T1350 °C，保溫時(shí)間為5 8小時(shí)。保溫之后，材料隨爐冷卻，待冷卻到室溫后，把陶瓷球取出。

材料經(jīng)XRD測試，制備的材料結(jié)構(gòu)為Li2ZrO3,經(jīng)XPS測試，鋯酸鋰材料中含有Li+。
權(quán)利要求
1.一種鋯酸鋰陶瓷球氚增殖材料的制備方法，其特征在于，具體步驟如下: (1)將碳酸鋰和氧化鋯與過量無水乙醇混合在一起，其中碳酸鋰和氧化鋯的摩爾比值為 1.1 1.2 ; (2)將步驟(I)得到的混合液使用氧化鋯陶瓷球作為磨球，在磨球機(jī)上混料4 5個(gè)小時(shí)； (3)把步驟(2)得到的混合料在烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，溫度設(shè)定為80 90°C，烘干時(shí)間為8 12小時(shí)； (4)把混合料和坩堝都放 入燒結(jié)爐內(nèi)，設(shè)定升溫曲線，使燒結(jié)爐平穩(wěn)升溫，對混合料進(jìn)行燒結(jié)；經(jīng)兩個(gè)小時(shí)升溫到500 600 °C，保溫3小時(shí)，然后再用兩個(gè)小時(shí)時(shí)間，升溫到900V 1000 °C，保溫 24 小時(shí)；反應(yīng)方程式為:Li2C03+Zr02 = Li2Zr03+C02 ； (5)把步驟(4)得到的燒結(jié)后的混合料重新加入過量無水乙醇，重新倒入磨粉罐內(nèi)，使用氧化鋯陶瓷球作為磨球，在磨球機(jī)上混合4個(gè)小時(shí)； (6)把步驟(5)得到的混合料在烘箱內(nèi)進(jìn)行烘干，溫度設(shè)定為80 90°C，烘干時(shí)間為8 12小時(shí)； (7)把經(jīng)步驟(6)烘干后的混合料進(jìn)行粉碎，過篩； (8)把步驟(7)所得的混合料粉末裝入橡膠模具中，在等靜壓機(jī)上，對橡膠模具進(jìn)行加壓，所加壓力為100 200 MPa ； (9)把經(jīng)步驟(8)等靜壓后所得的陶瓷球在高溫爐中進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度為120(Γ1350°C，保溫時(shí)間為5 8小時(shí)，即得到一種鋯酸鋰陶瓷球氚增殖材料。
2.一種鋯酸鋰陶瓷球氚增殖材料，其特征在于:所述鋯酸鋰陶瓷球氚增殖材料的分子式為Li2ZrO3，其密度不小于4.01 g/cm3,即不小于β -Li2ZrO3的理論密度的96.55%，其導(dǎo)熱系數(shù)為1.2 2.2 W/mK。
全文摘要
本發(fā)明屬于核能技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鋯酸鋰陶瓷球氚增殖材料及其制備方法。本發(fā)明采用等靜壓的方法制備陶瓷球，比轉(zhuǎn)動成型、濕法脫水成型、濕法ZrO2加成成型的密度要高。其它方法制備的陶瓷球，均是在沒有外壓的情況下成型的，其成份的壓實(shí)度就不如等靜壓的方法。同時(shí)結(jié)構(gòu)在燒結(jié)過程中，還要釋放出二氧化碳，使球的密度更低，而在本發(fā)明中，首先制備了粉體，這些粉體已經(jīng)完全反應(yīng)，釋放出了二氧化碳，在第二步進(jìn)行陶瓷球燒結(jié)時(shí)，釋放的二氧化碳很少，這也使得所制備的鋯酸鋰陶瓷球密度更高。另外，如果要想繼續(xù)提高陶瓷球的密度，還可以把等靜壓的壓力提高，這樣獲得的陶瓷球密度會增加。
文檔編號C04B35/622GK103172372SQ20131013420
公開日2013年6月26日 申請日期2013年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月17日
發(fā)明者盛選禹, 周志偉, 司文捷, 彭天驥 申請人:清華大學(xué)