一种曲面孔道结构的锂陶瓷氚增殖剂及其制备方法技术

本发明专利技术属于多孔陶瓷材料制备相关技术领域，并公开了一种曲面孔道结构的锂陶瓷氚增殖剂及其制备方法。该锂陶瓷氚增殖剂呈周期性的极小曲面多孔结构，其中，孔道直径为0.5mm～2mm，孔隙率为15％～35％。制备方法包括下列步骤：S1孔道牺牲模型的制备；S2陶瓷浆料的制备；S3注浆成型；S4干燥和低温脱脂；S5烧结，以此获得曲面孔道结构的锂陶瓷氚增殖剂。通过本发明专利技术，实现氚增值剂的结构从直通到曲面，结构从无序到规律，性能从不可控到可调节，在几何空间上具有规则、均一、连通的曲面孔道结构，解决多孔锂陶瓷氚增殖剂无法实现对负载应力的分散和力学、热学稳定性及整体的机械强度低的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种曲面孔道结构的锂陶瓷氚增殖剂及其制备方法


[0001]本专利技术属于多孔陶瓷材料制备相关
，更具体地，涉及一种曲面孔道结构的锂陶瓷氚增殖剂及其制备方法。

技术介绍

[0002]核聚变能作为安全清洁又可再生的一种新能源成为全世界国家的战略研究目标。在聚变反应堆设计中，聚变能获取的基础是氘氚(D
‑
T)聚变反应，但氚作为氢的放射性同位素，在自然界中的存有量却极少。要想保证反应的持续进行，实现聚变堆的商业化应用，解决燃料氚的生产和补充是其关键技术难题之一。
[0003]通常在反应堆的设计中利用堆芯D
‑
T聚变反应产生的聚变中子与增殖包层内的含锂材料反应产生氚来实现燃料氚的增殖。在固态氚增殖包层中大多采用锂陶瓷微球在氚增殖区离散堆积形成球床。传统的球床包层结构在使用时，存在着填充率低(～63％)、孔隙分布不均匀、结构力学不稳定、导热性能差等问题；由于制备工艺以及增殖剂材料与结构材料热膨胀系数不同，微球表面容易存在局部的应力集中而导致开裂或破碎，碎屑堵塞氚提取通道，严重影响了氚的释放，甚至威胁到聚变堆的安全运行。故需要改进传统球床包层结构，开发新型的氚增殖剂材料。如CN105801108A公开了一种三维孔道结构锂基块体氚增值剂材料的制备方法，该方法将陶瓷粉体、有机单体和交联剂混合制备浆料，在浆料中加入引发剂后，注入孔隙率为32％～40％三维线型有机材料骨架模具中，凝胶固化得到陶瓷坯体，并在烧结后得到具有三维直通孔道结构的锂基陶瓷块体。这种简单的三维直通孔道的结构和力学性能取向单一，难以提高聚变中子和锂陶瓷的接触面积，同时也无法实现对负载应力的分散作用。又如CN109859858A公开了一种泡沫型氚增殖剂及其制备方法，利用网状玻璃态碳泡沫作为模板，采用熔融单相固化法制造泡沫型氚增殖剂。泡沫结构由于其制造技术而是随机和不规则的，导致获得的孔道结构形态的低重复性，同时在三维方向上造成的不同孔道尺寸会引起应力集中，进而影响氚增殖包层的稳定性能。综上所述，面向中国聚变工程实验堆(CFETR)工程设计需求，进一步优化孔道结构，发展结构功能一体化的多孔氚增殖剂材料是未来氚增殖剂材料实现技术突破的方向。
[0004]本专利技术提出基于三周期极小曲面(TPMS)结构的参数化可控建模，反向构建内部孔道牺牲模型，采用3D打印/凝胶注模复合成型技术，成功制备出了具有可控多孔结构和良好机械强度的多孔锂陶瓷块体。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种曲面孔道结构的锂陶瓷氚增殖剂及其制备方法，解决多孔锂陶瓷氚增殖剂无法实现对负载应力的分散和力学、热学稳定性及整体的机械强度低的问题。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种曲面孔道结构的锂陶瓷氚增殖剂，该锂陶瓷氚增殖剂呈周期性的极小曲面多孔结构，其中，孔道直径为0.5mm～2mm，
孔隙率为15％～35％。
[0007]进一步优选地，所述极小曲面多孔结构为Gyroid曲面、Primitive曲面和Diamond曲面中的一种。
[0008]进一步优选地，所述锂陶瓷氚增殖剂的压溃强度大于3.75MPa，气体流动的压降大于1.90
×
103Pa/m，等效导热系数大于2.02W/m
·
k。
[0009]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种上述所述的锂陶瓷氚增殖剂的制备方法，该制备方法包括下列步骤：
[0010]S1孔道牺牲模型的制备：构建孔隙完全连通的极小曲面多孔结构的三维模型，采用高分子材料为成型材料，利用3D打印成型所述三维模型，以此获得所需的孔道牺牲模型；
[0011]S2陶瓷浆料的制备：将有机单体和分散剂溶于去离子水中，配制成预混液，然后加入陶瓷粉体，经球磨和消泡处理后制得高固相低粘度的陶瓷浆料；
[0012]S3注浆成型：在步骤S1中制备获得孔道牺牲模型放入模具中，向步骤S2中所制得的浆料中加入固化剂后，灌注到所述模具中；静置除气后通过外部加热的方式加速交联反应，获得凝胶化的湿坯；
[0013]S4干燥和低温脱脂：在步骤S3中获得的湿坯进行真空干燥处理，以去除所述湿坯中的溶剂；对去除溶剂后的所述湿坯进行低温脱脂处理，以去除坯体中有机物，同时，在该低温脱脂过程中所述孔道牺牲模型被溶解或烧除，以此获得锂陶瓷氚增殖剂初坯；
[0014]S5烧结：将所述锂陶瓷氚增殖剂初坯进行烧结，以此获得曲面孔道结构的锂陶瓷氚增殖剂。
[0015]进一步优选地，在步骤S1中，孔道牺牲模型的孔道直径为0.5mm～2mm，孔隙率为65％～85％；所述高分子材料为光敏树脂材料，聚乳酸材料和ABS塑料材料中的一种；所述3D打印为立体光固化快速成型技术，熔融沉积快速成型技术中的一种。
[0016]进一步优选地，在步骤S2中，有机单体为乙二醇二缩水甘油醚、聚乙烯醇和壳聚糖中的一种，在预混液中占总质量百分比为10％～20％；所述分散剂为柠檬酸铵、聚丙烯酸铵和乙酸中的一种，在预混液中占总质量百分比为0.1％～1％；所述陶瓷粉体为Li2TiO3、Li4SiO4、Li2ZrO3、LiAlO2中的一种或几种组合，在浆料中占总质量百分比为45％～65％。
[0017]进一步优选地，在步骤S3中，所述固化剂为聚乙烯亚胺、三亚乙基四胺和戊二醛中的一种，质量分数为10％～20％；所述静置除气为真空除气，在真空干燥箱中抽至设定的真空度并保压15min～30min，取出后利用超声振荡15min～20min，进一步消除表面残留的大气泡；所述外部加热方式为水浴恒温加热，加热温度为30℃～50℃。
[0018]进一步优选地，在步骤S4中恒温恒湿干燥处理方式为分段式恒温恒湿干燥，首先设置干燥箱内温度为30℃～40℃，湿度为80％～90％，干燥时间为10h～12h；再升温至50℃～60℃，湿度设置为60％～70％，干燥时间为8h～10h；最后升温至70℃～80℃，湿度设置为50％～60％，干燥时间为6～8h，以实现降低湿坯的干燥速率，有效避免翘曲和裂纹的出现；所述低温脱脂处理为结合热重分析采取分段进行，从室温升至200℃～300℃，保温；再次升温至400℃～600℃，保温；最后升至700℃～800℃，并保温，然后随炉冷却至室温，以降低高分子牺牲模的热解速度。
[0019]进一步优选地，在步骤S5中，所述烧结的温度为900
°
～1200℃，升温速率为1℃/min～5℃/min，保温时间为2h～5h。
[0020]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
[0021]1.本专利技术采用孔道完全连通的周期性的极小曲面多孔结构作为氚增值剂的结构，相比以现有的呈小孔堆叠或者泡沫型的氚增值剂的结构而言，本专利技术的氚增值剂的结构从直通到曲面，结构从无序到规律，性能从不可控到可调节，在几何空间上具有规则、均一、连通的曲面孔道结构；曲面孔道结构锂陶瓷块体在几何空间上连续，具有均匀的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种曲面孔道结构的锂陶瓷氚增殖剂，其特征在于，该锂陶瓷氚增殖剂呈周期性的极小曲面多孔结构，其中，孔道直径为0.5mm～2mm，孔隙率为15％～35％。2.如权利要求1所述的一种曲面孔道结构的锂陶瓷氚增殖剂，其特征在于，所述极小曲面多孔结构为Gyroid曲面、Primitive曲面和Diamond曲面中的一种。3.如权利要求1所述的一种曲面孔道结构的锂陶瓷氚增殖剂，其特征在于，所述锂陶瓷氚增殖剂的压溃强度大于3.75MPa，气体流动的压降大于1.90
×
103Pa/m，等效导热系数大于2.02W/m
·
k。4.一种权利要求1
‑
3任一项所述的锂陶瓷氚增殖剂的制备方法，其特征在于，该制备方法包括下列步骤：S1孔道牺牲模型的制备：构建孔隙完全连通的极小曲面多孔结构的三维模型，采用高分子材料为成型材料，利用3D打印成型所述三维模型，以此获得所需的孔道牺牲模型；S2陶瓷浆料的制备：将有机单体和分散剂溶于去离子水中，配制成预混液，然后加入陶瓷粉体，经球磨和消泡处理后制得高固相低粘度的陶瓷浆料；S3注浆成型：在步骤S1中制备获得孔道牺牲模型放入模具中，向步骤S2中所制得的浆料中加入固化剂后，灌注到所述模具中；静置除气后通过外部加热的方式加速交联反应，获得凝胶化的湿坯；S4干燥和低温脱脂：在步骤S3中获得的湿坯进行恒温恒湿干燥处理，以去除所述湿坯中的溶剂；对去除溶剂后的所述湿坯进行低温脱脂处理，以去除坯体中有机物，同时，在该低温脱脂过程中所述孔道牺牲模型被溶解或烧除，以此获得锂陶瓷氚增殖剂初坯；S5烧结：将所述锂陶瓷氚增殖剂初坯进行烧结，以此获得曲面孔道结构的锂陶瓷氚增殖剂。5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，孔道牺牲模型的孔道直径为0.5mm～2mm，孔隙...

【专利技术属性】
技术研发人员：索进平，蔡基利，蔡超，许晨光，卢辉，许高永，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：