【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于中子吸收材料与铝基复合材料，提供了一种屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料及其制备方法。
技术介绍
1、碳化硼(b4c)因为其良好的中子吸收能力而被广泛应用于核燃料贮存容器中，此外，由于其具有低密度、高比强度等优势，碳化硼也通常作为铝基复合材料的增强体。因此，所制备得到的碳化硼增强铝基复合材料同时具有优异的中子吸收能力与力学性能，在世界范围内已有较多应用。
2、b4c的中子吸收能力主要是源于同位素10b超高的中子吸收截面(3837barn)，而且具有中子俘获能谱宽、衰变后无放射同位素产生、二次辐射能量低、耐高温等特点。10b俘获中子发生如下反应：
3、10b+n＝7li+4he(500kev)+2.78mev
4、在发生嬗变反应后，10b会释放4he离子，并且释放出的he离子会在材料内部的形核、团聚、长大并以he气泡的形式存在于材料内部。气泡的大小会随着辐照剂量的增加而增加，最终形成巨大的孔洞缺陷，影响器件的中子屏蔽效果和机械性能，影响服役寿命。
5、专利文献cn 116516200 a公开了一种碳化硼铝基复合中子屏蔽材料及其制备方法，所述碳化硼铝基复合材料采用微米级粉末与纳米级碳化物，采用混合烧结与变形加工等工序，达到了较好的中子屏蔽效果。其中纳米碳化物可以吸引b4c吸收中子后产生的he原子优先聚集。然而尽管纳米碳化物具有吸引、吸附he气泡的能力，在复合材料基体中分散的氦气泡仍会在铝基体的晶界、相界处聚合、长大，形成较大的气泡与缺陷，对材料性能造成巨大破坏。
>技术实现思路
1、针对上述问题，本专利技术提供一种屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料及其制备方法。所述铝基碳化硼复合材料由碳化硼颗粒、碳纳米管、铝基体组成，碳纳米管被铝粉包裹后分布在碳化硼颗粒周围的近界面微区，分布范围为碳化硼颗粒外1～4微米左右的空间球体内。
2、本专利技术的技术方案如下：
3、一种屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料的制备方法，包括如下步骤：
4、1)碳纳米管与铝基粉末a进行混粉处理，使碳纳米管包裹到铝基粉末a上，得到碳纳米管-铝粉；
5、2)碳纳米管-铝粉进行低速球磨，制得碳纳米管/铝复合粉末；
6、3)碳纳米管/铝复合粉末与碳化硼颗粒高速球磨复合，制得碳纳米管/铝包裹碳化硼复合粉末；
7、4)碳纳米管/铝包裹碳化硼复合粉末与铝基粉末b分散复合；制得碳化硼-碳纳米管/铝混合粉末；
8、5)碳化硼-碳纳米管/铝混合粉末压坯、烧结、变形加工，获得所述屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料；所述铝基粉末a、铝基粉末b粒径不同。
9、步骤1)中，所述铝基粉末a的粒径为5-10μm。
10、步骤4)中，所述铝基粉末b的粒径为20-50μm。
11、步骤1)中，所述碳纳米管内径10-30nm，碳纳米管外径为30-70nm。
12、步骤3)中，所述碳化硼颗粒粒径范围为1～500μm。优选的粒径范围为5～40μm。更优选的，粒径范围为为20-30μm。
13、步骤1)中，碳纳米管与铝基粉末a的质量比为1:4-1:8。
14、步骤3)中，碳纳米管/铝复合粉末与碳化硼颗粒质量比：1:1-1:3。
15、步骤4)中，碳纳米管/铝包裹碳化硼复合粉末与铝基粉末b质量比：1:3-1:7。
16、步骤1)中，混粉条件为：1600 -2000rpm，时间为15-20min。
17、步骤2)中，低速球磨条件：球料比为15-25:1；80-120rpm。
18、步骤2)中，球磨采用的磨料球为直径6-10mm氧化锆球。
19、步骤3)中，高速球磨条件：球料比为10-20:1，300-500rpm，球磨时间为1-3小时，磨料球为直径6-10mm氧化锆球。
20、步骤4)中，所述碳纳米管/铝-碳化硼复合粉末与铝基粉末b分散复合采用机械混合、变速球磨、高速搅拌混合或气流混合方法中的一种或几种。
21、优选的，步骤4)中，所述碳纳米管/铝-碳化硼复合粉末与铝基粉末b分散复合采用变速球磨；变速球磨条件：先低速100rpm球磨3-4小时，后高速200rpm球磨2-3小时。
22、步骤5)中，碳纳米管/铝-碳化硼复合粉末压坯采用模压、冷等静压粉末或包套方法。
23、步骤5)中，烧结采用真空烧结、气氛保护烧结、热压烧结、热等静压烧结中的一种或几种。
24、步骤5)中，烧结温度500～650℃、时间0.1～10h。
25、所述铝基体包括纯铝、1系铝合金、2系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金中的一种或几种。
26、步骤3)中，所述变形加工采用挤压、轧制、锻造、环锻或旋压方法。
27、如上所述方法制备获得的屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料也属于本专利技术的保护范围。
28、与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
29、(1)本专利技术中，碳化硼颗粒的作用是吸收中子，碳纳米管的作用是阻挡从碳化硼颗粒中发射的高能氦离子，碳纳米管具有优良比强度与比模量，自身结构稳定，是高能氦离子的有效阻碍材料。碳化硼吸收中子反应中发射出的高能氦离子能量约为500kev，由srim(stopping and range of ions in matter)程序计算可得，500kev入射的氦离子在铝基碳化硼复合材料中的停止距离为0～3μm，在碳化硼颗粒的近界面微区0～6μm处使用铝片包覆碳纳米管可以有效阻挡高能氦离子进入复合材料基体造成结构破坏。
30、(2)碳纳米管作为一维纳米结构，具有高比表面积、高表面吸附性，有吸收辐照高能氦离子的作用。在碳化硼界面微区停滞的氦离子会倾向于聚集成氦气泡，并通过碳纳米管/铝的界面进入碳纳米管芯部。此时包裹在碳化硼外层界面的碳纳米管则可以作为氦气泡的有效存储空间，使之无法进入铝基体内部，从而降低铝基体内部的氦密度，降低铝基体内部损伤，保证材料性能。
31、(3)纳米尺寸的碳纳米管同样具有吸收材料内部缺陷的作用，在铝基碳化硼复合材料中，材料中形成的缺陷会优先向碳纳米管附近迁移、复合，并最终被碳纳米管吸收。均匀分散于碳化硼颗粒附近的碳纳米管有助于降低碳化硼与铝基体界面的缺陷密度，从而提升复合材料的塑性。
32、(4)碳纳米管在碳化硼铝基复合材料近界面微区的分散，增强了材料的弥散强化能力，提高了材料的力学性能，有利于材料轻量化设计。
33、(5)所述的制备方法采用粉末冶金技术方法，适用于不同增强体质量分数的(5～40wt.％)铝基复合材料及大规格构件产品成形加工，可用于地面乏燃料存储运输、航天器核动力飞行器等中子屏蔽应用场景。
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1.一种屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述铝基粉末A的粒径为5-10μm；
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述碳纳米管内径10-30nm，碳纳米管外径为30-70nm；
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，碳纳米管与铝基粉末A的质量比为1:4-1:8；
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，混粉条件为：1600-2000rpm，时间为15-20min；
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述碳纳米管/铝-碳化硼复合粉末与铝基粉末B分散复合采用机械混合、变速球磨、高速搅拌混合、气流混合方法中的一种或几种。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管/铝-碳化硼复合粉末与铝粉末分散复合采用变速球磨；变速球磨条件：先低速100-150rpm球磨3-4小时，后高速200-500rpm球磨2-3小时。
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9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述铝基粉末A、铝基粉末B选自纯铝、1系铝合金、2系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金中的一种或几种。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述方法制备获得的屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料。
...【技术特征摘要】
1.一种屏蔽中子的铝基碳化硼复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述铝基粉末a的粒径为5-10μm；
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述碳纳米管内径10-30nm，碳纳米管外径为30-70nm；
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，碳纳米管与铝基粉末a的质量比为1:4-1:8；
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中，混粉条件为：1600-2000rpm，时间为15-20min；
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中，所述碳纳米管/铝-碳化硼复合粉末与铝基粉末b分散复合...
【专利技术属性】
技术研发人员：谭占秋，高润泽，范根莲，李志强，张荻，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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