專利名稱：一種¹⁰B碳化硼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及防護(hù)和控制材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種kiB碳化硼及其制備方法。
背景技術(shù)：
kiB碳化硼中的kiB具有較高的中子俘獲截面，俘獲能譜寬，吸收中子后不產(chǎn)生放射 性同位素，二次射線能量低的特性，成為用于核反應(yīng)堆的最重要中子吸收的首選材料。而且 kiB碳化硼具有優(yōu)越的高溫性質(zhì)、極好的耐磨性、相當(dāng)好的化學(xué)惰性以及特殊的輻射性質(zhì)。其 制品可在核反應(yīng)堆中用作屏蔽防護(hù)材料和控制材料。在專利申請(qǐng)?zhí)枮?00910231496. 2，發(fā)明名稱為“一種富kiB碳化硼粉體及其制備方 法”的發(fā)明專利申請(qǐng)中，將kiB硼酸粉體和碳粉以無水乙醇為介質(zhì)，球磨混合、烘干，在600 800° C下煅燒，將煅燒后的粉體磨細(xì)，放在石墨模具中在氬氣或真空中、1700-1850° C進(jìn) 行碳化，保溫時(shí)間20 30分鐘，得富、碳化硼粉體，其中B4C含量大于97wt%，B2O3含量小 于lwt%，殘量碳含量小于2wt% ；碳化硼粉體的中位粒徑d5(l彡3. 5μπι。這種方法所用的高 純碳粉，通常是指炭黑，它反應(yīng)活性強(qiáng)，但易氧化。在混合、硼酸粉體和碳粉時(shí)以無水乙醇 為介質(zhì)，增加了生產(chǎn)成本；在600 800° C溫度下的一次煅燒造成含硼物料的飛揚(yáng)，碳粉 氧化，浪費(fèi)了原料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種kiB碳化硼及其制備方法。本發(fā)明的、碳化硼其中B4C的含量為>97wt%，B2O3含量<0. 3wt%,游離硼含量 <1. 3wt%, 10B豐度為25 99% (at.)，余量為不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明的wB碳化硼的制備方法按如下步驟進(jìn)行
(1)首先按質(zhì)量份將、豐度為25 99%(at.)的硼酸粉75 85份和石墨粉15 25份在混料機(jī)中混合5 8小時(shí)，得到混合粉料，其中硼酸粉純度為99. 9wt%,中位粒徑 d50<300 μ m,石墨粉純度為99. 9wt%，中位粒徑d5(1<4 μ m ；
(2)在壓片機(jī)中將混合粉料壓成直徑為20mm，厚度為IOmm的壓片顆粒；
(3)將混合粉料壓片顆粒放入陶瓷缽中，在馬弗爐中進(jìn)行分段焙燒脫水，在100 200° C溫度條件下焙燒60分鐘，使硼酸脫水成為偏硼酸和四硼酸后，再在500 700° C 溫度條件下焙燒60分鐘，使偏硼酸和四硼酸完全脫水成為硼酐(B2O3)；
(4)使脫水后的混合粉料壓片顆粒在溫度為1855 2100°C條件下發(fā)生碳化反應(yīng) 后，保溫60分鐘，其中碳化反應(yīng)是將混合粉料壓片顆粒放入感應(yīng)加熱爐或石墨加熱爐中， 在氬氣氣氛保護(hù)，常壓下進(jìn)行加熱碳化，或?qū)⒒旌戏哿项w粒料放入電弧爐中，在空氣中進(jìn)行 加熱碳化；
(5)將碳化反應(yīng)后的混合粉料壓片顆粒冷卻到室溫后，在60° C條件下，采用質(zhì)量濃度 為20%的鹽酸酸洗并在60° C條件下水洗即得到粉狀的或海綿狀的kiB碳化硼。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)及其有益效果是1.、碳化硼中的kiB具有較高的中子俘獲截面，俘獲能譜寬，吸收中子后不產(chǎn)生放射性 同位素，二次射線能量低的特性，成為用于核反應(yīng)堆的最重要中子吸收的首選材料，而且由 于其具有優(yōu)越的高溫性質(zhì)、極好的耐磨性、相當(dāng)好的化學(xué)惰性以及特殊的輻射性質(zhì)，所以本 發(fā)明的高豐度的、碳化硼制品可在核反應(yīng)堆中用作屏蔽防護(hù)材料和控制材料；
2.本發(fā)明所使用的原料還原劑碳，為高純石墨粉，混料時(shí)無需無水乙醇介質(zhì)即可混合 均勻；在500 700° C溫度下焙燒脫水時(shí)，避免了氧化損失；
3.本發(fā)明焙燒脫水采用不同溫度分段作業(yè)，避免突然進(jìn)入高溫激烈脫水，造成昂貴 的含硼物料的飛揚(yáng)損失；
4.本發(fā)明高溫碳化是在感應(yīng)加熱爐和石墨電阻爐中進(jìn)行，焙燒脫水后的壓片顆粒物 料入爐，氬氣保護(hù)，常壓下操作，避免了由于抽真空將粉料抽入損壞真空系統(tǒng)，同時(shí)造成昂 貴的wB2O3損失，電弧爐碳化無需氬氣保護(hù)；
5.相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明碳熱還原法制備kiB碳化硼采用較高的反應(yīng)溫度1855 2100° C，能保證反應(yīng)充分；
6.本發(fā)明給出了三種高溫爐制備kiB碳化硼的工藝方法，根據(jù)條件和需要，采用最適合 的工藝方法。


圖1是實(shí)施例1的、碳化硼產(chǎn)品的粒度分布圖，d5(1=27. 5 μ m。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不僅限于下述的實(shí)施 例。實(shí)施例中所得產(chǎn)品的性能測(cè)定方法如下粒度的測(cè)定是通過激光粒度分析儀實(shí) 現(xiàn)；
10B豐度，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定。實(shí)施例1
(1)首先按質(zhì)量份將kiB豐度為99 %(at.)的硼酸粉75份和石墨粉25份在混料機(jī)中 混合5小時(shí)，得到混合粉料，其中硼酸粉純度為99. 9wt%,中位粒徑d5Q<300 μ m，石墨粉純度 為 99. 9wt%，中位粒徑 d50<4 μ m ；
(2)在壓片機(jī)中將混合粉料壓成直徑為20mm，厚度為IOmm的壓片顆粒；
(3)將混合粉料壓片顆粒放入陶瓷缽中，在馬弗爐中進(jìn)行分段焙燒脫水，在100°C 溫度條件下焙燒60分鐘，使硼酸脫水成為偏硼酸和四硼酸后，再在700° C溫度條件下焙燒 60分鐘，使偏硼酸和四硼酸完全脫水成為硼酐(B2O3)；
(4)使脫水后的混合粉料壓片顆粒在溫度為2100°C條件下發(fā)生碳化反應(yīng)后，保溫 60分鐘，其中碳化反應(yīng)是將混合粉料壓片顆粒放入感應(yīng)加熱爐，在氬氣氣氛保護(hù)，常壓條件 下進(jìn)行加熱碳化；
(5)將碳化反應(yīng)后的混合粉料壓片顆粒冷卻到室溫后，在60° C條件下，采用濃度為 20wt%的鹽酸酸洗后，在60° C條件下水洗，即得到粉狀的kiB碳化硼；
經(jīng)北京化學(xué)試劑研究所檢驗(yàn)，B4C含量97. llwt%,總硼77. 89wt%，游離硼0. 589wt%，三氧化二硼0. 16wt%,總碳21. 00wt% ；產(chǎn)品中10B豐度99% (at.)，余量為不可避免的雜質(zhì)。實(shí)施例2
(1)首先按質(zhì)量份將、豐度為60% (at.)的硼酸粉80份和石墨粉20份在混料機(jī)中 混合8小時(shí)，得到混合粉料，其中硼酸粉純度為99. 9wt%,中位粒徑d5Q<300 μ m，石墨粉純度 為 99. 9wt%，中位粒徑 d50<4 μ m ；
(2)在壓片機(jī)中將混合粉料壓成直徑為20mm，厚度為IOmm的壓片顆粒；
(3)將混合粉料壓片顆粒放入陶瓷缽中，在馬弗爐中進(jìn)行分段焙燒脫水，在150°C 溫度條件下焙燒60分鐘，使硼酸脫水成為偏硼酸和四硼酸后，再在600° C溫度條件下焙燒 60分鐘，使偏硼酸和四硼酸完全脫水成為硼酐(B2O3)；
(4)使脫水后的混合粉料壓片顆粒在溫度為1855°C條件下發(fā)生碳化反應(yīng)后，保溫 60分鐘，其中碳化反應(yīng)是將混合粉料壓片顆粒放入20 kw石墨電阻爐中，在氬氣氣氛保護(hù) 下，常壓條件下進(jìn)行加熱碳化；
(5)將碳化反應(yīng)后的混合粉料壓片顆粒冷卻到室溫后，在60° C條件下，采用濃度為 20wt%的鹽酸酸洗后，在60° C條件下水洗，即得到粉狀的kiB碳化硼；
產(chǎn)品中10B豐度60%(at.) ,B4C含量97. 23wt%,總硼77. 69wt%，游離硼0. 389wt%，三氧 化二硼0. 24wt%，總碳21. 10wt%，余量為不可避免的雜質(zhì)。實(shí)施例3
(1)首先按質(zhì)量份將、豐度為25% (at.)的硼酸粉83份和石墨粉17份在混料機(jī)中混 合6小時(shí)，得到混合粉料，其中硼酸粉純度為99. 9wt%,中位粒徑d5(1<300 μ m,石墨粉純度為 99. 9wt%,中位粒徑 d50<4 μ m ；
(2)在壓片機(jī)中將混合粉料壓成直徑為20mm，厚度為IOmm的壓片顆粒；
(3)將混合粉料壓片顆粒放入陶瓷缽中，在馬弗爐中進(jìn)行分段焙燒脫水，在200°C 溫度條件下焙燒60分鐘，使硼酸脫水成為偏硼酸和四硼酸后，再在500° C溫度條件下焙燒 60分鐘，使偏硼酸和四硼酸完全脫水成為硼酐(B2O3)；
(4)使脫水后的混合粉料壓片顆粒在溫度為2000°C條件下發(fā)生碳化反應(yīng)，其中碳 化反應(yīng)是將混合粉料壓片顆粒放入60 kvA電弧爐中，在空氣中進(jìn)行加熱碳化；
(5)將碳化反應(yīng)后的混合粉料壓片顆粒冷卻到室溫后，采用濃度為20wt%的鹽酸酸洗 后，在60° C條件下水洗，即得到海綿狀的kiB碳化硼；
產(chǎn)品中10B豐度25% (at.), B4C含量97. 04wt%,總硼77. 54wt%，游離硼0. 436wt%，三氧 化二硼0. 28wt%,總碳21. 45wt%，余量為不可避免的雜質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種ltlB碳化硼，其特征在于所述的ltlB碳化硼中，B4C的含量>97wt%，化03含量 <0. 3wt%，游離硼含量<1. 3wt%, 10B豐度為25 99% (at.)，余量為不可避免的雜質(zhì)。
2.權(quán)利要求1所述的一種ltlB碳化硼的制備方法，其特征在于按如下步驟進(jìn)行(1)首先按質(zhì)量份將、豐度為25 99%(at.)的硼酸粉75 85份和石墨粉15 25份混合，得到混合粉料；(2)將混合粉料制成壓片顆粒；(3)將混合粉料壓片顆粒分段焙燒脫水，在100 200°C溫度條件下焙燒60分鐘， 使硼酸脫水成為偏硼酸和四硼酸后，再在500 700° C溫度條件下焙燒60分鐘，使偏硼酸 和四硼酸完全脫水成為硼酐( )；(4)使脫水后的混合粉料壓片顆粒在溫度為1855 2100°C條件下發(fā)生碳化反應(yīng)后， 保溫60分鐘；(5)將碳化反應(yīng)后的混合粉料壓片顆粒冷卻到室溫后，在60°C條件下，采用質(zhì)量濃度 為20%的鹽酸酸洗或在60° C條件下水洗即得到粉狀的或海綿狀的kiB碳化硼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種ltlB碳化硼的制備方法，其特征在于步驟(1)中硼酸粉的 純度為99. 9wt%，中位粒徑d5Q<300 μ m,石墨粉純度為99. 9wt%，中位粒徑d5(1<4 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種ltlB碳化硼的制備方法，其特征在于步驟(1)中硼酸粉與 石墨粉的混合是在混料機(jī)中進(jìn)行，混合5 8小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種ltlB碳化硼的制備方法，其特征在于步驟(2)中混合粉料 的壓片在壓片機(jī)中進(jìn)行，得到的壓片顆粒的直徑為20mm，厚度為10mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種ltlB碳化硼的制備方法，其特征在于步驟(3)是將混合粉 料壓片顆粒放入陶瓷缽中，在馬弗爐中進(jìn)行分段焙燒脫水。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種ltlB碳化硼的制備方法，其特征在于步驟(4)中混合粉料 壓片顆粒的加熱碳化，是將混合粉料壓片顆粒放入感應(yīng)加熱爐或石墨加熱爐中，在氬氣氣 氛保護(hù)，常壓下進(jìn)行碳化，或?qū)⒒旌戏哿项w粒料放入電弧爐中，在空氣中進(jìn)行碳化。
全文摘要
本發(fā)明涉及防護(hù)和控制材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種10B碳化硼及其制備方法。本發(fā)明的10B碳化硼B(yǎng)4C的含量為>97wt%,B2O3含量<0.3wt%，游離硼含量<1.3wt%，10B豐度為25～99%(at.)。制備方法如下將10B豐度25～99%(at.)的硼酸粉75-85份、高純石墨粉25-35份混合，混合粉料壓成直徑20mm、厚度10mm的壓片顆粒，在100～200°C和500～700°C下進(jìn)行分段焙燒脫水。將焙燒后壓片顆粒放入感應(yīng)加熱爐或石墨加熱爐中或電弧爐中進(jìn)行碳化，碳化溫度1855～2100°C，即得到符合質(zhì)量要求的10B碳化硼產(chǎn)品。
文檔編號(hào)C01B31/36GK102115080SQ20111005957
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2011年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月14日
發(fā)明者吳旭光, 曹寶勝, 韓曉輝 申請(qǐng)人:大連博恩坦科技有限公司