專利名稱：一種復(fù)合屏蔽材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合屏蔽材料領(lǐng)域，尤其涉及用于核反應(yīng)堆、乏燃料組件貯存及放射性物質(zhì)貯運(yùn)等核輻射場所的復(fù)合屏蔽材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
在核反應(yīng)堆、乏燃料組件貯存等領(lǐng)域產(chǎn)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(chǎn)生中子輻射的領(lǐng)域一般都伴隨著Y輻射，為了減少人體及設(shè)備所受到的照射，在屏蔽中子輻射的同時(shí)也應(yīng)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(yōu)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(yōu)良的慢中子吸收物質(zhì)，同時(shí)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(dá)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(fù)合材料已大量應(yīng)用于各種核反應(yīng)堆屏蔽系統(tǒng)并發(fā)揮相當(dāng)重要的作用。目前使用較多的復(fù)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(xué)性能也較差，一般為10MPa-20MPa，不能滿足對耐熱性及力學(xué)性能有較高要求的中子屏蔽領(lǐng)域的使用要求。Al-B4C兼具鋁和碳化硼的優(yōu)點(diǎn)，密度低，硬度高，熱中子俘獲截面高，價(jià)格低廉，韌性好，具有良好的機(jī)械力學(xué)性能和熱中子吸收性能，自上世紀(jì)80年代以來，已受到輻射防護(hù)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(fù)合材料的制備方面，有關(guān)其中子/Y輻射綜合屏蔽性能的研究幾乎沒有。因此，急需進(jìn)一步優(yōu)化Al-B4C復(fù)合材料的綜合屏蔽性能，以充分拓展其在核屏蔽領(lǐng)域的應(yīng)用潛能。


發(fā)明內(nèi)容
為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明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(fù)合屏蔽材料，而且能夠根據(jù)中子和Y射線分布情況采用相應(yīng)組分，其組分包括W及其化合物、B4C、鋁或鋁合金及其它元素。本發(fā)明中解決以上技術(shù)問題的一種復(fù)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(jié)劑，以改善B4C和鋁的潤濕性，控制其界面反應(yīng)，提高材料的核輻射屏蔽性能及力學(xué)性能等綜合性能。在已有B4C/A1中子屏蔽材料的基礎(chǔ)上，引入具有優(yōu)良Y輻射性能的W及其化合物，通過蒙特卡羅方法計(jì)算材料的屏蔽性能，優(yōu)化復(fù)合材料成分，使B4C/A1復(fù)合材料同時(shí)具有優(yōu)良的中子屏蔽性能和Y輻射屏蔽性能。制備一種復(fù)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(jìn)行球磨，球磨罐中注入氬氣作為保護(hù)氣氛，球磨時(shí)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(shí)間5_60min ；軟模的材料為PVC，根據(jù)樣品的形狀、大小，將PVC做成模具進(jìn)行冷等靜壓成型。步驟四、將冷壓坯進(jìn)行熱等靜壓燒結(jié)，熱等靜壓氣體為氬氣，溫度為680_120(TC，壓力為 30-150MPa，時(shí)間為 0_180min ；
步驟五、將熱等靜壓后的材料經(jīng)脫模后即得復(fù)合屏蔽材料。球磨罐為不銹鋼球磨罐，磨球?yàn)橛操|(zhì)合金球。硬質(zhì)合金球的主要成分是WC，B4C/Al復(fù)合材料中同樣含有W，因此，選用硬質(zhì)合金作為磨球可以減少雜質(zhì)元素的引入。球磨及熱等靜壓時(shí)以氬氣為氣體介質(zhì)，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(nèi)，鋁與B4C在界面上會(huì)生成較 多的Al4C3脆性相，降低界面結(jié)合強(qiáng)度，且高溫下鋁合金熔液容易揮發(fā)，造成原材料浪費(fèi)，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備也有一定危害。因此，如何有效降低復(fù)合材料的反應(yīng)溫度、控制界面反應(yīng)特別是控制高溫脆性相的生成是本發(fā)明的技術(shù)難點(diǎn)。本發(fā)明采用熱等靜壓技術(shù)制備粉末冶金B(yǎng)4C/鋁合金，解決B4C與Al在低溫難以潤濕的問題，大大降低燒結(jié)溫度(可將燒結(jié)溫度降低到稍高于Al的熔點(diǎn))，減小界面反應(yīng)速率，避免有害相生成，有效的控制復(fù)合材料界面相結(jié)構(gòu)，優(yōu)化復(fù)合材料的力學(xué)性能。本發(fā)明為滿足核輻射屏蔽領(lǐng)域?qū)ζ帘尾牧显诰C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(fù)合屏蔽材料，而且能夠根據(jù)中子和Y射線分布情況采用相應(yīng)組分的復(fù)合屏蔽材料。采用上述工藝制備的含鎢B4C/鋁合金復(fù)合屏蔽材料W2B5及B4C分布均勻，致密化程度高，強(qiáng)度和韌性良好，特別適用于中子/ Y射線屏蔽領(lǐng)域。本發(fā)明的復(fù)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(jù)中子和Y射線分布情況采用相應(yīng)組分的復(fù)合材料。較傳統(tǒng)的復(fù)合屏蔽材料相比，對中子輻射屏蔽有好的性能，同時(shí)對Y輻射屏蔽性能提高5-20%或更多。
具體實(shí)施例實(shí)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(jìn)行球磨,采用YG8硬質(zhì)合金球，球磨時(shí)間24h ;球磨后的粉料裝入軟模進(jìn)行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為250MPa，溫度18°C、時(shí)間lOmin。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，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(shí)間為lh。將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含gB4C/Al復(fù)合屏蔽材。實(shí)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(jìn)行球磨，采用硬質(zhì)合金球，球磨時(shí)間24h ;球磨后的粉料裝入軟模進(jìn)行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為200MPa，溫度25°C、時(shí)間20min。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，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(shí)間為3h。將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含gB4C/Al復(fù)合屏蔽材料。實(shí)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(jìn)行球磨，采用硬質(zhì)合金球，球磨時(shí)間22h ;球磨后的粉料裝入軟模進(jìn)行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為180MPa，溫度20°C、時(shí)間30min。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，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(shí)間為lh。將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含gB4C/Al復(fù)合屏蔽材料。實(shí)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(jìn)行球磨，采用YG8硬質(zhì)合金球，球磨時(shí)間24h ;球磨后的粉料裝入軟模進(jìn)行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為250MPa，溫度22°C、時(shí)間5min。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，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lOOMPa，熱等靜壓保溫時(shí)間為lh。將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含鎢B4C/鋁合金復(fù)合屏蔽材料。采用上述工藝制備的含鎢B4C/鋁合金復(fù)合屏蔽材料W2B5及B4C分布均勻，致密化程度高，強(qiáng)度 和韌性良好，特別適用于中子/Y射線屏蔽領(lǐng)域。實(shí)施例5
稱取原料重量百分比W2B55%，B4C 25%的，Al 67%,稀土 3% ;將各組成物料按配方混合，裝入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨，采用硬質(zhì)合金球，球磨時(shí)間23h ;球磨后的粉料裝入軟模進(jìn)行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為150MPa，溫度24°C、時(shí)間40min。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，熱等靜壓氣體為氬氣，熱等靜壓溫度為700°C，熱等靜壓壓力為150MPa，熱等靜壓保溫時(shí)間為1. 5h。將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含鎢B4C/A1復(fù)合屏蔽材料。實(shí)施例6
稱取原料重量百分比W2B525%，B4C10%的，Al 60%, Mg05% ;將各組成物料按配方混合，裝入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨，采用硬質(zhì)合金球，球磨時(shí)間20h ;球磨后的粉料裝入軟模進(jìn)行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為150MPa，溫度23°C、時(shí)間50min。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，熱等靜壓氣體為氬氣，熱等靜壓溫度為1100°C，熱等靜壓壓力為lOOMPa，熱等靜壓保溫時(shí)間為2. 5h。將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含鎢B4C/A1復(fù)合屏蔽材料。實(shí)施例7
稱取原料重量百分比WO3 15%, B4C 30%的，鋁合金50%，Ti 5% ;將各組成物料按配方混合，裝入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨，采用YG8硬質(zhì)合金球,球磨時(shí)間15h ;球磨后的粉料裝入軟模進(jìn)行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為250MPa，溫度24°C、時(shí)間60min。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，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(shí)間為lh。將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含gB4C/Al復(fù)合屏蔽材。實(shí)施例8
稱取原料重量百分比W 30%, B4C 30%的，Al 32%, TiB28% ;將各組成物料按配方混合，裝入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨，采用硬質(zhì)合金球，球磨時(shí)間IOh ;球磨后的粉料裝入軟模進(jìn)行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為270MPa，溫度19°C、時(shí)間15min。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，熱等靜壓氣體為氬氣，熱等靜壓溫度為1000°C，熱等靜壓壓力為90MPa，熱等靜壓保溫時(shí)間為2h。 將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含gB4C/Al復(fù)合屏蔽材料。實(shí)施例9
稱取原料重量百分比W2%，B4C 68%的，Al 23%, Zr7% ;將各組成物料按配方混合，裝入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨，采用硬質(zhì)合金球，球磨時(shí)間2h ;球磨后的粉料裝入軟模進(jìn)行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為270MPa，溫度22°C、時(shí)間20min。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，熱等靜壓氣體為氬氣，熱等靜壓溫度為1200°C，熱等靜壓壓力為30MPa，熱等靜壓保溫時(shí)間為3h。將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含gB4C/Al復(fù)合屏蔽材料。實(shí)施例10
稱取原料重量百分比W20530%，B4C 50%的，Al 15%, Zr025% ;將各組成物料按配方混合，裝入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨，采用硬質(zhì)合金球，球磨時(shí)間22h ;球磨后的粉料裝入軟模進(jìn)行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為150MPa，溫度23°C、時(shí)間25min。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，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lOOMPa，熱等靜壓保溫時(shí)間為2h。將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含gB4C/Al復(fù)合屏蔽材料。實(shí)施例11
稱取原料重量百分比W2056%，B4C 15%的，Al 75%, V2054% ;將各組成物料按配方混合，裝入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨，采用硬質(zhì)合金球，球磨時(shí)間25h ;球磨后的粉料裝入軟模進(jìn)行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為120MPa，溫度25°C、時(shí)間30min。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，熱等靜壓氣體為氬氣，熱等靜壓溫度為850°C，熱等靜壓壓力為250MPa，熱等靜壓保溫時(shí)間為lh。將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含gB4C/Al復(fù)合屏蔽材料。實(shí)施例12
稱取原料重量百分比W2050%，B4C 50%的，Al 45%, V5% ;將各組成物料按配方混合，裝入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨，采用硬質(zhì)合金球，用無水乙醇作為球磨介質(zhì)，球磨時(shí)間25h ；球磨后的粉料裝入軟模進(jìn)行 冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為120MPa。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，熱等靜壓氣體為氬氣，熱等靜壓溫度為750°C，熱等靜壓壓力為250MPa，熱等靜壓保溫時(shí)間為lh。將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含鎢B4C/A1復(fù)合屏蔽材料。實(shí)施例13稱取原料重量百分比W 3%, B4C 5%的，Al 90%, Cr2032% ;將各組成物料按配方混合，裝入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨，采用硬質(zhì)合金球，球磨時(shí)間22h ;球磨后的粉料裝入軟模進(jìn)行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為200MPa，溫度22°C、時(shí)間20min。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，熱等靜壓氣體為氬氣，熱等靜壓溫度為1000°C，熱等靜壓壓力為90MPa，熱等靜壓保溫時(shí)間為2h。將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含gB4C/Al復(fù)合屏蔽材料。實(shí)施例14
稱取原料重量百分比W 10%, B4C70%的，Al 17%, Y2033% ;將各組成物料按配方混合，裝入不銹鋼球磨罐中進(jìn)行球磨，采用硬質(zhì)合金球，球磨時(shí)間22h ;球磨后的粉料裝入軟模進(jìn)行冷等靜壓成型，冷等靜壓壓力為220MPa，溫度25°C、時(shí)間25min。將冷壓坯裝入包套密封后熱等靜壓燒結(jié)，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(shí)間為2h。將熱等靜壓后的材料脫模后即可制備出含鎢B4C/A1復(fù)合屏蔽材料性能指標(biāo)
表I含WO3 B4C/A1復(fù)合材料的成分及屏蔽性能
權(quán)利要求
1.一種復(fù)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)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(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)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(jù)權(quán)利要求3所述的一種復(fù)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(fù)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(jìn)行球磨，球磨罐中注入氬氣作為保護(hù)氣氛， 球磨時(shí)間2-25h，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(shí)間5_60min ；步驟四、將冷壓坯進(jìn)行熱等靜壓燒結(jié)，熱等靜壓氣體為氬氣，溫度為680-1200°C，壓力為 30-150MPa,時(shí)間為 20_180min ；步驟五、熱等靜壓后的材料經(jīng)脫模后即得復(fù)合屏蔽材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5中所述的一種復(fù)合屏蔽材料的方法，其特征在于所述球磨罐為不銹鋼球磨罐，磨球?yàn)橛操|(zhì)合金球。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種復(fù)合屏蔽材料及其制備方法，特別涉及用于核反應(yīng)堆、乏燃料組件貯存及放射性物質(zhì)貯運(yùn)等核輻射場所的復(fù)合屏蔽材料。其特征在于所述復(fù)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(fā)明中的含鎢B4C/鋁合金復(fù)合屏蔽材料W2B5及B4C分布均勻，致密化程度高，強(qiáng)度和韌性良好，特別適用于中子/γ射線屏蔽領(lǐng)域。
文檔編號C22C1/05GK103045916SQ20121057072
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者張鵬程, 龐曉軒, 王偉 申請人:四川材料與工藝研究所