一種復合屏蔽材料及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種復合屏蔽材料及其制備方法，特別涉及用于核反應堆、乏燃料組件貯存及放射性物質貯運等核輻射場所的復合屏蔽材料。其特征在于：所述復合屏蔽材料包括下述組分：0-30wt%的W及其化合物；0-70wt%的B4C；0-90wt%的鋁或鋁合金；0-8wt%的其它元素等。本發明專利技術中的含鎢B4C/鋁合金復合屏蔽材料W2B5及B4C分布均勻，致密化程度高，強度和韌性良好，特別適用于中子/γ射線屏蔽領域。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于復合屏蔽材料領域，尤其涉及用于核反應堆、乏燃料組件貯存及放射性物質貯運等核輻射場所的復合屏蔽材料及其制備方法。
技術介紹
在核反應堆、乏燃料組件貯存等領域產生的輻射中，特別要重視的屏蔽問題是中子輻射及穿透力大的Y輻射，產生中子輻射的領域一般都伴隨著Y輻射，為了減少人體及設備所受到的照射，在屏蔽中子輻射的同時也應該屏蔽Y射線的照射。一般含氫量較高的石蠟、聚乙烯、聚丙烯等材料是優良的快中子慢化材料，含鋰元素的氟化鋰、溴化鋰、氫氧化鋰和含硼元素的氧化硼、硼酸和碳化硼等是優良的慢中子吸收物質，同時對快中子的屏蔽用鎢效果也很好，因其IOcm厚度的材料對中子的屏蔽率可達93%。對Y輻射屏蔽較好的材料為鉛、鎢以及其他重金屬等。這些材料及其復合材料已大量應用于各種核反應堆屏蔽系統并發揮相當重要的作用。目前使用較多的復合屏蔽材料為鉛硼聚乙烯，該類材料的綜合屏蔽效果較好，但由于材料是以聚合物為基體，因此其使用溫度僅為80-100°C，力學性能也較差，一般為10MPa-20MPa，不能滿足對耐熱性及力學性能有較高要求的中子屏蔽領域的使用要求。Al-B4C兼具鋁和碳化硼的優點，密度低，硬度高，熱中子俘獲截面高，價格低廉，韌性好，具有良好的機械力學性能和熱中子吸收性能，自上世紀80年代以來，已受到輻射防護科研工作者的廣泛重視。但Al-B4C的抗Y輻射性能較差，而且目前Al-B4CW制大多集中于Al-B4C復合材料的制備方面，有關其中子/Y輻射綜合屏蔽性能的研究幾乎沒有。因此，急需進一步優化Al-B4C復合材料的綜合屏蔽性能，以充分拓展其在核屏蔽領域的應用潛能。 專利
技術實現思路
為解決以上技術問題，本專利技術的目的在于提供一種具有中子輻射屏蔽性能和Y輻射屏蔽性能的復合屏蔽材料，而且能夠根據中子和Y射線分布情況采用相應組分，其組分包括W及其化合物、B4C、鋁或鋁合金及其它元素。本專利技術中解決以上技術問題的一種復合屏蔽材料，其特征在于由下述重量百分比的組分組成0-30%的W或W的化合物，0-70%的B4C, 0-90%的鋁或鋁合金，0-8%的其它元素。所述W或W的化合物為W、WO3> W2O5或W2B5等。所述其它元素為T1、S1、Mg、Zr、V、Cr或其化合物、稀土元素。所述上述元素的化合物為TiB2、Ti02、Si02、Mg0、Zr02、V205、Cr203、Y203 或 La2O3 等。以B4C、鋁或鋁合金為主要材料，通過加入適量的W及其化合物大幅提高材料的Y射線屏蔽性能，加入少量的其它元素作為活性燒結劑，以改善B4C和鋁的潤濕性，控制其界面反應，提高材料的核輻射屏蔽性能及力學性能等綜合性能。在已有B4C/A1中子屏蔽材料的基礎上，引入具有優良Y輻射性能的W及其化合物，通過蒙特卡羅方法計算材料的屏蔽性能，優化復合材料成分，使B4C/A1復合材料同時具有優良的中子屏蔽性能和Y輻射屏蔽性能。制備一種復合屏蔽材料的方法，其特征在于步驟如下 步驟一、稱取原料重量百分比0-30%的W或W的化合物；0-70%的B4C ；0-90%的鋁或鋁合金；0-8%的其它元素； 步驟二、混合各組成物料，裝入球磨罐中進行球磨，球磨罐中注入氬氣作為保護氣氛，球磨時間2-25h，球磨后得到混合粉末； 步驟三、混合粉末裝入軟模后采用冷等靜壓成型，壓力為100-270MPa，時間5_60min ；軟模的材料為PVC，根據樣品的形狀、大小，將PVC做成模具進行冷等靜壓成型。步驟四、將冷壓坯進行熱等靜壓燒結，熱等靜壓氣體為氬氣，溫度為680_120(TC，壓力為 30-150MPa，時間為 0_180min ； 步驟五、將熱等靜壓后的材料經脫模后即得復合屏蔽材料。球磨罐為不銹鋼球磨罐，磨球為硬質合金球。硬質合金球的主要成分是WC，B4C/Al復合材料中同樣含有W，因此，選用硬質合金作為磨球可以減少雜質元素的引入。球磨及熱等靜壓時以氬氣為氣體介質，可防止鋁與其它金屬的氧化。由于碳化硼與鋁需在1200°C左右的高溫下才能良好的潤濕，而在該溫度范圍內，鋁與B4C在界面上會生成較 多的Al4C3脆性相，降低界面結合強度，且高溫下鋁合金熔液容易揮發，造成原材料浪費，對實驗設備也有一定危害。因此，如何有效降低復合材料的反應溫度、控制界面反應特別是控制高溫脆性相的生成是本專利技術的技術難點。本專利技術采用熱等靜壓技術制備粉末冶金B4C/鋁合金，解決B4C與Al在低溫難以潤濕的問題，大大降低燒結溫度(可將燒結溫度降低到稍高于Al的熔點)，減小界面反應速率，避免有害相生成，有效的控制復合材料界面相結構，優化復合材料的力學性能。本專利技術為滿足核輻射屏蔽領域對屏蔽材料在綜合屏蔽性能方面的要求，研制了一種具有良好的中子輻射屏蔽性能和Y輻射屏蔽性能的復合屏蔽材料，而且能夠根據中子和Y射線分布情況采用相應組分的復合屏蔽材料。采用上述工藝制備的含鎢B4C/鋁合金復合屏蔽材料W2B5及B4C分布均勻，致密化程度高，強度和韌性良好，特別適用于中子/ Y射線屏蔽領域。本專利技術的復合屏蔽材料具有良好的中子輻射屏蔽性能和Y輻射屏蔽性能，而且可以根據中子和Y射線分布情況采用相應組分的復合材料。較傳統的復合屏蔽材料相比，對中子輻射屏蔽有好的性能，同時對Y輻射屏蔽性能提高5-20%或更多。具體實施例實施例1 稱取原料重量百分比WO3 15%, B4C 15%的，鋁合金67%，Ti 3% ;將各組成物料按配方混合,裝入不銹鋼球磨罐中進行球磨,采用YG8硬質合金球，球磨時間24h ;球磨后的粉料裝入軟模進行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為250MPa，溫度18°C、時間lOmin。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結，熱等靜壓氣體為氬氣，熱等靜壓溫度為900°C，熱等靜壓壓力為120MPa，熱等靜壓保溫時間為lh。將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含gB4C/Al復合屏蔽材。實施例2 稱取原料重量百分比W0325%，B4C 10%的，Al 60%, Ti025% ;將各組成物料按配方混合，裝入不銹鋼球磨罐中進行球磨，采用硬質合金球，球磨時間24h ;球磨后的粉料裝入軟模進行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為200MPa，溫度25°C、時間20min。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結，熱等靜壓氣體為氬氣，熱等靜壓溫度為800°C，熱等靜壓壓力為80MPa，熱等靜壓保溫時間為3h。將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含gB4C/Al復合屏蔽材料。實施例3 稱取原料重量百分比W035%，B4C 20%的，Al 72%, Cr3% ;將各組成物料按配方混合，裝入不銹鋼球磨罐中進行球磨，采用硬質合金球，球磨時間22h ;球磨后的粉料裝入軟模進行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為180MPa，溫度20°C、時間30min。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結，熱等靜壓氣體為氬氣，熱等靜壓溫度為680°C，熱等靜壓壓力為140MPa，熱等靜壓保溫時間為lh。將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含gB4C/Al復合屏蔽材料。實施例4 按重量百分比W2B5 10% ；B4C 45%的；招合金40%;Si02 5%稱取原料。將各組成物料按配方混合，裝入不銹鋼球磨罐中進行球磨，采用YG8硬質合金球，球磨時間24h ;球磨后的粉料裝本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種復合屏蔽材料，其特征在于：由下述重量百分比的組分組成：0?30%的W或W的化合物，0?70%的B4C，0?90%的鋁或鋁合金，0?8%的其它元素。

【技術特征摘要】
1.一種復合屏蔽材料，其特征在于由下述重量百分比的組分組成0-30%的W或W的化合物，0-70%的B4C,0-90%的鋁或鋁合金，0-8%的其它元素。2.根據權利要求1所述的一種復合屏蔽材料，其特征在于所述W或W的化合物為W、 TO3、W205 *W2B5。3.根據權利要求1所述的一種復合屏蔽材料，其特征在于所述其它元素為T1、S1、Mg、 Zr、V、Cr或其化合物、稀土元素。4.根據權利要求3所述的一種復合屏蔽材料，其特征在于所述其它元素的化合物為 TiB2、Ti02、Si02、MgO、ZrO2> V2O5> Cr2O3> Y2O3 或 La203。5.制備一種復合屏蔽材料的方法，其特征在于步驟...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張鵬程，龐曉軒，王偉，
申請(專利權)人：四川材料與工藝研究所，
類型：發明
國別省市：