本發(fā)明涉及一種高稀土含量的中子吸收材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

鋁基碳化硼中子吸收材料是由碳化硼陶瓷和金屬鋁基體通過一定成形方法復合構(gòu)成的復合材料。我們常選擇碳化硼作為中子吸收材料。碳化硼具有硬度高、密度低、高的化學穩(wěn)定性和耐磨性以及良好的中子吸收能力等諸多優(yōu)點，且碳化硼在吸收大量中子的同時不會發(fā)生反應而生成其他放射性同位素，原料相對便宜容易獲取。但是其韌性較差。而鋁金屬具有材質(zhì)輕、韌性好而且成本低廉的特點，因此將兩者優(yōu)點相結(jié)合的鋁基碳化硼中子吸收材料的研究備受關(guān)注。鋁基碳化硼中子吸收材料由于制備成本低廉，具有良好的機械力學性能和熱中子吸收性能，已經(jīng)被美國核管會批準用于乏燃料濕法存儲設(shè)備。鋁基碳化硼中子吸收材料主要是以板的形式在乏燃料水池或燃料運輸容器中使用。

目前已知的具有高中子吸收截面的元素主要有硼、鎘、釤、鉿、銦、釓等，這些元素均可加入材料中起吸收中子的功能。釓的一個重要特性是最外層4f軌道上，每個軌道上各有一個電子，是稀土元素中最大數(shù)的不成對電子，是所有元素中對熱中子吸收能力最強的元素。釤也具有很強的熱中子吸收能力?，F(xiàn)有的鋁基碳化硼中子吸收材料的中子吸收性能主要由碳化硼含量決定，而硼元素并不是中子吸收性能最高的元素，所以造成了現(xiàn)有的鋁基碳化硼中子吸收材料中子吸收性能不足的缺點。為了進一步提高鋁基碳化硼中子吸收材料的中子吸收性能，我們考慮將稀土元素釓、釤引入到鋁基碳化硼中子吸收材料中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的鋁基碳化硼中子吸收材料中子吸收性能不足的缺點，為了進一步提高鋁基碳化硼中子吸收材料的中子吸收性能，將稀土元素釓、釤引入到鋁基碳化硼中子吸收材料中，提供一種具有高稀土含量，可有效提高鋁基碳化硼中子吸收材料中子吸收性能的復合材料。

具體的技術(shù)方案如下：

一種高稀土含量的中子吸收材料，所述中子吸收材料，按重量百分比計由10％—35％碳化硼、40％—75％鋁合金、5％—40％鋁稀土中間合金組成。

所述的高稀土含量的中子吸收材料，其中，鋁稀土中間合金為鋁釓中間合金、鋁釤中間合金，鋁釓和鋁釤中間合金中稀土重量百分比為為10-50％。

所述的高稀土含量的中子吸收材料，其中，所述碳化硼粉粒度為1—20μm，所述的鋁合金粉粒度為1—20μm，所述的鋁稀土中間合金粉粒度為10—100μm。

所述的高稀土含量的中子吸收材料，其中高稀土含量的中子吸收材料按以下步驟進行：

(1)高能球磨：稱取重量百分比比為20％—35％碳化硼粉、25％—75％鋁合金粉、5％—40％鋁稀土中間合金粉作為原材料，將原材料放入罐中，在罐中加入磨球，球料重量比為2:1—10:1，將罐密封后在行星式球磨機中混合均勻，球磨機轉(zhuǎn)速為200—350rpm，球磨時間為1h—30h，同時加入硬脂酸做過程控制劑，硬脂酸占原材料的1wt％—2wt％；

(2)冷壓除氣抽真空：將混合好的粉末裝入模具中，將模具放入熱壓爐中，先增大壓力進行冷壓除氣處理，然后進行抽高真空處理，真空度抽至3×10^-2Pa，冷壓壓力為20—60MPa；

(3)熱壓燒結(jié)：真空度抽至3×10^-2Pa后進行燒結(jié)，熱壓壓力為20—60MPa，燒結(jié)時先由室溫加熱到300℃后保溫0.5—1h，進一步進行除氣處理，再加熱至燒結(jié)溫度620—650℃后保溫，燒結(jié)保溫時間為1h—4h，熱壓燒結(jié)過程中繼續(xù)抽高真空處理，真空度抽至1×10^-3Pa，保溫一定時間后，在高真空下隨爐冷卻至室溫；

(4)熱軋?zhí)幚恚簩Y(jié)后的復合材料進行多道次熱軋?zhí)幚恚堉频来伍g經(jīng)450—500℃退火處理。

所述的鋁合金粉、碳化硼粉、鋁稀土中間合金粉三種粉末的混合粉，經(jīng)過步驟(1)高能球磨后，會將鋁稀土中間合金打碎成稀土單質(zhì)，并形成鋁稀土固溶體。

本發(fā)明的有益效果在于：

釓是所有元素中對熱中子吸收能力最強的元素，釤也具有很強的熱中子吸收能力?，F(xiàn)有的鋁基碳化硼中子吸收材料的中子吸收性能主要由碳化硼含量決定，而硼元素并不是中子吸收性能最高的元素，所以造成了現(xiàn)有的鋁基碳化硼中子吸收材料中子吸收性能不足的缺點。為了進一步提高鋁基碳化硼中子吸收材料的中子吸收性能，我們考慮將稀土元素釓、釤引入到鋁基碳化硼中子吸收材料中。將高含量的稀土元素釓、釤加入鋁基碳化硼中子吸收材料，可以大幅度的提高鋁基碳化硼中子吸收材料的中子吸收性能。同時，由于采用了粉末冶金方法，用高能球磨、熱壓燒結(jié)工藝制備出鋁基碳化硼中子吸收材料，其中高能球磨法可以使材料具有良好的分布均勻性，和細小的晶粒尺寸，并能打碎鋁稀土中間合金，形成鋁稀土固溶體，從而使稀土元素分布更均勻，熱壓燒結(jié)工藝又保證了鋁基碳化硼中子吸收材料具有高的致密度，所以本發(fā)明將在提高鋁基碳化硼中子吸收材料的中子吸收性能的同時，也能保證鋁基碳化硼中子吸收材料具有較好的力學性能

附圖說明

圖1為實施例一的含5％鋁釓中間合金的鋁基碳化硼中子吸收材料的顯微組織圖：(a)熱壓燒結(jié)態(tài)下的顯微組織。

圖2為實施例一的含5％鋁釓中間合金的鋁基碳化硼中子吸收材料的顯微組織圖：和(b)熱軋態(tài)下的顯微組織。

圖3為實施例二的含10％鋁釓中間合金的鋁基碳化硼中子吸收材料的顯微組織圖：(a)熱壓燒結(jié)態(tài)下的顯微組織。

圖4為實施例二的含10％鋁釓中間合金的鋁基碳化硼中子吸收材料的顯微組織圖：(b)熱軋態(tài)下的顯微組織。

圖5為實施例三的含25％鋁釓中間合金的鋁基碳化硼中子吸收材料的顯微組織圖：熱軋態(tài)下的顯微組織。

圖6為實施例三的含25％鋁釓中間合金的鋁基碳化硼中子吸收材料混合粉末經(jīng)過高能球磨后的XRD曲線，可以看到經(jīng)過高能球磨后，鋁釓中間合金打碎出釓單質(zhì)，并且釓固溶于鋁中形成固溶體。

具體實施方式

為使本發(fā)明的技術(shù)方案更加清晰明確，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行進一步描述，任何對本發(fā)明技術(shù)方案的技術(shù)特征進行等價替換和常規(guī)推理得出的方案均落入本發(fā)明保護范圍。

實施例一

結(jié)合圖1、圖2，一種高稀土含量的中子吸收材料，其中高稀土含量的中子吸收材料按以下步驟進行：

(1)高能球磨：稱取重量比為30％碳化硼粉、65％鋁合金粉、5％鋁釓中間合金粉，放入罐中，在罐中加入磨球，球料重量比為5:1，將罐密封后在行星式球磨機中混合均勻，球磨機轉(zhuǎn)速為300rpm，球磨時間為20h，同時加入硬脂酸做過程控制劑，硬脂酸占原材料的1wt％；

(2)冷壓除氣抽真空：將混合好的粉末裝入模具中，將模具放入熱壓爐中，先增大壓力進行冷壓除氣處理，然后進行抽高真空處理，真空度抽至3×10^-2Pa，冷壓壓力為20MPa；

(3)熱壓燒結(jié)：真空度抽至3×10^-2Pa后進行燒結(jié)，熱壓壓力為20MPa，燒結(jié)時先由室溫加熱到300℃后保溫0.5h，進一步進行除氣處理，再加熱至燒結(jié)溫度630℃后保溫，燒結(jié)保溫時間為2h，熱壓燒結(jié)過程中繼續(xù)抽高真空處理，真空度抽至1×10^-3Pa，保溫一定時間后，在高真空下隨爐冷卻至室溫；

(4)熱軋?zhí)幚恚簩Y(jié)后的復合材料進行多道次熱軋?zhí)幚?，軋制道次間經(jīng)450℃退火處理。

得到了本發(fā)明的一種高稀土含量的鋁基碳化硼中子吸收材料。

實施例二

結(jié)合圖3、圖4，一種高稀土含量的中子吸收材料，其中高釓含量的中子吸收材料按以下步驟進行：

(1)高能球磨：稱取重量比為30％碳化硼粉、60％鋁合金粉、10％鋁釓中間合金粉作為原材料，放入罐中，在罐中加入磨球，球料重量比為5:1，將罐密封后在行星式球磨機中混合均勻，球磨機轉(zhuǎn)速為300rpm，球磨時間為8h，同時加入硬脂酸做過程控制劑，硬脂酸占原材料的2wt％；

(2)冷壓除氣抽真空：將混合好的粉末裝入模具中，將模具放入熱壓爐中，先增大壓力進行冷壓除氣處理，然后進行抽高真空處理，真空度抽至3×10^-2Pa，冷壓壓力為30MPa；

(3)熱壓燒結(jié)：真空度抽至3×10^-2Pa后進行燒結(jié)，熱壓壓力為30MPa，燒結(jié)時先由室溫加熱到300℃后保溫0.5h，進一步進行除氣處理，再加熱至燒結(jié)溫度620℃后保溫，燒結(jié)保溫時間為2h，熱壓燒結(jié)過程中繼續(xù)抽高真空處理，真空度抽至1×10^-3Pa，保溫一定時間后，在高真空下隨爐冷卻至室溫；

(4)熱軋?zhí)幚恚簩Y(jié)后的復合材料進行多道次熱軋?zhí)幚恚堉频来伍g經(jīng)450℃退火處理。

得到了本發(fā)明的一種高稀土含量的鋁基碳化硼中子吸收材料。

實施例三

結(jié)合圖5、圖6，一種高稀土含量的中子吸收材料，其中高釓含量的中子吸收材料按以下步驟進行：

(1)高能球磨：稱取重量比為30％碳化硼粉、45％鋁合金粉、25％鋁釓中間合金粉作為原材料，放入罐中，在罐中加入磨球，球料重量比為10:1，將罐密封后在行星式球磨機中混合均勻，球磨機轉(zhuǎn)速為350rpm，球磨時間為8h，同時加入硬脂酸做過程控制劑，硬脂酸占原材料的2wt％；

(2)冷壓除氣抽真空：將混合好的粉末裝入模具中，將模具放入熱壓爐中，先增大壓力進行冷壓除氣處理，然后進行抽高真空處理，真空度抽至3×10^-2Pa，冷壓壓力為40MPa；

(3)熱壓燒結(jié)：真空度抽至3×10^-2Pa后進行燒結(jié)，熱壓壓力為40MPa，燒結(jié)時先由室溫加熱到300℃后保溫0.5h，進一步進行除氣處理，再加熱至燒結(jié)溫度650℃后保溫，燒結(jié)保溫時間為2h，熱壓燒結(jié)過程中繼續(xù)抽高真空處理，真空度抽至1×10^-3Pa，保溫一定時間后，在高真空下隨爐冷卻至室溫；

(4)熱軋?zhí)幚恚簩Y(jié)后的復合材料進行多道次熱軋?zhí)幚?，軋制道次間經(jīng)500℃退火處理。

得到了本發(fā)明的一種高稀土含量的鋁基碳化硼中子吸收材料。

實施例四

一種高稀土含量的中子吸收材料，其中高釤含量的中子吸收材料按以下步驟進行：

(1)高能球磨：稱取重量比為30％碳化硼粉、65％鋁合金粉、5％鋁釤中間合金粉作為原材料，放入罐中，在罐中加入磨球，球料重量比為5:1，將罐密封后在行星式球磨機中混合均勻，球磨機轉(zhuǎn)速為300rpm，球磨時間為5h，同時加入硬脂酸做過程控制劑，硬脂酸占原材料的2wt％；

(2)冷壓除氣抽真空：將混合好的粉末裝入模具中，將模具放入熱壓爐中，先增大壓力進行冷壓除氣處理，然后進行抽高真空處理，真空度抽至3×10^-2Pa，冷壓壓力為30MPa；

(3)熱壓燒結(jié)：真空度抽至3×10^-2Pa后進行燒結(jié)，熱壓壓力為30MPa，燒結(jié)時先由室溫加熱到300℃后保溫1h，進一步進行除氣處理，再加熱至燒結(jié)溫度620℃后保溫，燒結(jié)保溫時間為2h，熱壓燒結(jié)過程中繼續(xù)抽高真空處理，真空度抽至1×10^-3Pa，保溫一定時間后，在高真空下隨爐冷卻至室溫；

(4)熱軋?zhí)幚恚簩Y(jié)后的復合材料進行多道次熱軋?zhí)幚恚堉频来伍g經(jīng)450℃退火處理。

得到了本發(fā)明的一種高稀土含量的鋁基碳化硼中子吸收材料。