一种碳化硼铝基复合材料及中子吸收板制造技术

本发明专利技术公开了一种碳化硼铝基复合材料及中子吸收板。按质量分数计，所述碳化硼铝基复合材料中包括：15％～35％的B4C，0.5～7％的Ti元素，60％～84.5％为Al元素；且所述复合材料中，所述Ti元素的存在形式包括：以TiB2化合物的形式包覆在B4C颗粒表面。所述中子吸收板是由上述碳化硼铝基复合材料制成的板材。本发明专利技术的碳化硼铝基复合材料，经试验验证其常温下延伸率为6～16％，优于现有的复合材料，制成中子吸收板材使用时，能耐受住碰撞或者热应力变形，不易断裂，从而提高贮存安全性能。同时其抗拉强度和中子吸收性能也均能满足应用要求。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种碳化硼铝基复合材料及中子吸收板。按质量分数计，所述碳化硼铝基复合材料中包括：15％～35％的B4C，0.5～7％的Ti元素，60％～84.5％为Al元素；且所述复合材料中，所述Ti元素的存在形式包括：以TiB2化合物的形式包覆在B4C颗粒表面。所述中子吸收板是由上述碳化硼铝基复合材料制成的板材。本专利技术的碳化硼铝基复合材料，经试验验证其常温下延伸率为6～16％，优于现有的复合材料，制成中子吸收板材使用时，能耐受住碰撞或者热应力变形，不易断裂，从而提高贮存安全性能。同时其抗拉强度和中子吸收性能也均能满足应用要求。【专利说明】一种碳化硼铝基复合材料及中子吸收板 【
】 本专利技术涉及核能源领域的中子吸收材料，特别是涉及一种碳化硼铝基复合材料及 中子吸收板。 【
技术介绍
】 碳化硼中的kiB具有较高的中子吸收能力，因此被用于制作中子吸收材料而广泛 应用于核能源领域中。包括碳化硼和铝基体的复合材料是现有的常用中子吸收材料，而现 有的较为成熟的制备该中子吸收材料的方法主要有粉末冶金法和液态搅拌法。目前针对不 同的制备方法，中子吸收材料的成分体系也不同。中子吸收材料制成中子吸收板材进行使 用。使用时，核反应堆卸下的乏燃料棒集中装载在不锈钢格架中，中子吸收板材则插在不锈 钢格架与乏燃料棒之间的缝隙内，通过中子吸收板材对乏燃料棒释放的中子进行吸收，从 而隔绝向外的辐射。 目前，不同的成分体系制得的中子吸收板的中子吸收性能、安全贮存性能各不相 同，差异显著。例如，现有的某些制得的中子吸收板产品，经常在贮存过程中发生安全事故， 例如贮存时乏燃料过热引发安全事故，再例如中子吸收板材发生破裂，进而无法有效吸收 中子，导致严重的辐射问题。 【
技术实现思路
】 本专利技术所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种碳化硼铝基 复合材料及中子吸收板，复合材料的延伸率较好，抗拉强度满足应用要求；制得的中子吸收 板材用于乏燃料贮存系统中时安全性较高，同时中子吸收性也能满足应用需求。 本专利技术的技术问题通过以下的技术方案予以解决： -种碳化硼铝基复合材料，按质量分数计，所述复合材料中包括：15%?35%的 B4C,0. 5?7%的Ti元素，60%?84. 5%为Al元素；且所述复合材料中，所述Ti元素的存 在形式包括：以TiB2化合物的形式包覆在B 4C颗粒表面。 -种中子吸收板，所述中子吸收板是由碳化硼铝基复合材料制成的板材，所述碳 化硼铝基复合材料为上述所述的碳化硼铝基复合材料。 本专利技术与现有技术对比的有益效果是： 本专利技术的碳化硼铝基复合材料，含有特定含量的组分，且Ti以Ti-B化合物TiB2的 形式包覆在B 4C颗粒表面。这样，在使用液态搅拌法制备复合材料时，组分中添加的Ti可有 效抑制B4C与Al在高温下发生反应，确保最终形成B 4C-Al复合材料；且Ti以化合物TiB2的 形式包覆在B4C颗粒，对B 4C颗粒进行保护，确保B4C颗粒作为增强相，提高复合材料的力学 性能。本专利技术的复合材料，经试验验证其常温下延伸率为6?16%，优于现有的复合材料， 制成中子吸收板材使用时，能耐受住碰撞或者热应力变形，不易断裂，从而提高贮存安全性 能。同时经试验验证，其抗拉强度在110?230,能满足抗拉强度应用要求。而复合材料的 kiB面密度是随材料中B4C的量增加而增加的，复合材料含15%?35%的B4C,以板材厚度 3mm为例可计算出其iqB面密度大约为0. 0184?0. 0367g/cm2,中子吸收效率约为93%? 99%，能满足基本的中子吸收应用。 【【专利附图】【附图说明】】 图1是本专利技术【具体实施方式】中的实验例2的碳化硼铝基复合材料的扫描电镜形貌 图； 图2是本专利技术【具体实施方式】中的实验例2的碳化硼铝基复合材料的背散射图； 图3是本专利技术【具体实施方式】中的实验例3的碳化硼铝基复合材料的扫描电镜形貌 图； 图4是本专利技术【具体实施方式】中的实验例5的碳化硼铝基复合材料的扫描电镜形貌 图。 【【具体实施方式】】 下面结合【具体实施方式】并对照附图对本专利技术做进一步详细说明。 本专利技术在对复合材料的成分，以及制得的中子吸收板材的应用方面进行深入研 究，发现某些贮存过程中的安全事故是由于多种原因导致的，有的是因为中子吸收板材的 中子吸收性能不高，才导致乏燃料棒过热引发安全事故。也有的是由于中子吸收板材自身 的力学性能，例如抗拉强度、延伸率不够，才容易在贮存过程中因震荡、撞击发生破裂。还有 一些是由于受到高温硼酸水溶液的腐蚀而发生破裂，为此研究出一种成分体系，具有较好 的力学性能，且能耐受硼酸水溶液的腐蚀，从而确保贮存的安全性能；同时配方组成的复合 材料的中子吸收性能也能满足基本的应用需求。而在改进碳化硼-铝基复合材料成分体系 的过程中，本专利技术人发现制备具有一定中子吸收性能，且力学性能较好的复合材料时需要 考虑多方面的问题：1)碳化硼的含量对中子吸收性能，力学性能，抗腐蚀性能的影响；2)铝 基体中添加的元素对碳化硼铝基体界面反应的影响；3)铝基体中添加元素最终形成的增 强相及其分布状态。通过对上述问题的分析研究，最终提出本专利技术的碳化硼铝基复合材料。 此处需强调本专利技术提出的复合材料的力学性能中，除抗拉强度满足应用需求之 夕卜，更主要的是延伸率也较好。这是因为，前述乏燃料贮存系统中，不锈钢格架（通常为 304不锈钢所制焊接、铆接格架）为主要承力载体，其强度较高（一般为600MPa左右），插 入的中子吸收板材并不需要承载外力。因此，目前研发过程中，仅要求复合材料的抗拉强度 (UTS)在SOMPa以上，即可满足要求，较少关注复合材料的延伸率。因此本专利技术提出一种具 有较好延伸率性能的复合材已具有足够创新。 本【具体实施方式】中，复合材料，按质量分数计，包括：15 %?35 %的B4C, 0. 5?7 % 的Ti元素，60 %?84. 5 %为Al元素。且所述复合材料中，所述Ti以Ti-B化合物TiB2的 形式包覆在B4C颗粒表面的微观结构上。Ti的含量相对较少，因此铝基体中无残余的单独 的Ti单质。 本【具体实施方式】的复合材料，当通过液态搅拌法制备时，包括以下步骤：1)配料： 按最终复合材料的成分体系，称取一定质量的Al、Al-Ti母合金和B 4C粉末；清洗纯Al和 Al-Ti母合金；预热B4C粉末。2)熔炼：将清洗好的纯Al和Al-Ti母合金置入坩埚中，在真 空环境下加热熔融，形成一定比例的铝合金熔体。3)搅拌：对熔融的铝合金熔体扒渣精炼， 待温度稳定到7KTC?720°C后，置入B4C粉末并搅拌，使B4C粉末颗粒均匀分散在铝合金熔 体中。4)铸造：待搅拌至B4C粉末颗粒分布均匀、熔体有一定流动性时，将熔体浇注入模具 中，在模具中即制得中子吸收板材。步骤4)中的模具包括水冷装置。 上述液态搅拌工艺制备时，原料中的Ti会和Al、B4C发生反应6Al+3Ti+2B 4C = 2Al3BC+3TiB2，从而Ti能有效地抑制高温液态搅拌法制备过程中B 4C与Al发生反应，避免 Al与B4C之间反应生成有害的产物渣，确保最终搅拌法制得匕(：41复合材料，而非无用有害 的产物渣。而最终的复合材料中，Ti以Ti-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳化硼铝基复合材料，其特征在于：按质量分数计，所述复合材料中包括：15％～35％的B4C，0.5～7％的Ti元素，60％～84.5％为Al元素；且所述复合材料中，所述Ti元素的存在形式包括：以TiB2化合物的形式包覆在B4C颗粒表面。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，李丘林，李宇，王靓，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44