本發(fā)明屬于核材料，涉及到一種具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的li2tio3氚增殖劑陶瓷及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、核聚變能具有清潔、安全、可持續(xù)等優(yōu)點(diǎn)。然而，作為反應(yīng)燃料之一的氚是一種自然界幾乎不存在的氫的放射性同位素，一般通過中子和鋰陶瓷反應(yīng)實(shí)現(xiàn)“氚自持”。鋰陶瓷作為一種主要的氚增殖劑備選材料，具有以下優(yōu)點(diǎn)：化學(xué)穩(wěn)定性好、與結(jié)構(gòu)材料相容性好、無磁流體動力學(xué)效應(yīng)；在眾多鋰陶瓷氚增殖劑中，鈦酸鋰(li2tio3)的鋰密度適中、釋氚溫度低、力學(xué)性能優(yōu)異，被國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃(iter)以及中國聚變工程實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃(cfetr)作為優(yōu)選氚增殖劑。

2、氚增殖過程主要包括氚在晶粒內(nèi)的產(chǎn)生及擴(kuò)散、氚在晶界的吸附及解吸附、氚在界面或氣孔中的擴(kuò)散；其中，氚在界面或氣孔中的擴(kuò)散作為釋氚的最后一個環(huán)節(jié)對氚能否順利被提取起著決定性作用。然而，研究表明：鋰陶瓷的氚增殖效率較低，遠(yuǎn)不能滿足氚自持的工程設(shè)計(jì)要求，提高氚增殖劑產(chǎn)氚和釋氚效率勢在必行。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的li2tio3氚增殖劑陶瓷及其制備方法，以解決現(xiàn)有的li2tio3氚增殖劑釋氚效率低的問題，本發(fā)明基于閃燒技術(shù)，通過調(diào)控閃燒技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)li2tio3氚增殖劑陶瓷材料中晶界介孔孔徑及孔密度的精準(zhǔn)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)li2tio3氚增殖劑的高效釋氚。

2、本發(fā)明可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：提供一種具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的li2tio3氚增殖劑陶瓷的制備方法，包括：

3、(1)制備li2tio3粉體；

4、(2)制備li2tio3素坯：將所述li2tio3粉體置于模具中，再將模具置于壓片機(jī)中壓模成型，脫模得到li2tio3素坯；

5、(3)制備li2tio3氚增殖劑陶瓷：在所述li2tio3素坯兩端中間位置打孔，測量兩孔間距以及所述li2tio3素坯中間位置的寬度和高度，計(jì)算li2tio3素坯截面面積；

6、再在li2tio3素坯兩端的孔內(nèi)壁以及周邊涂抹銀漿；

7、然后用箱式爐中的兩根鉑絲電極分別穿過所述li2tio3素坯兩端的孔并固定，關(guān)閉爐門；

8、根據(jù)所述兩孔間距和li2tio3素坯截面面積，設(shè)置爐溫和閃燒參數(shù)，待爐溫穩(wěn)定后，對li2tio3素坯進(jìn)行閃燒，閃燒結(jié)束后關(guān)閉電源、隨爐冷卻，制得li2tio3氚增殖劑陶瓷；所述閃燒參數(shù)包括電場強(qiáng)度，電流密度和閃燒時間。

9、采用上述技術(shù)方案的有益效果為：本發(fā)明先通過低溫固相法合成并篩選出li2tio3超細(xì)粉體，然后將裝滿li2tio3超細(xì)粉體的模具置于壓片機(jī)中，壓制出li2tio3素坯，最后通過閃燒設(shè)備對素坯進(jìn)行燒結(jié)，獲得具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的高釋氚l(fā)i2tio3氚增殖劑陶瓷。

10、本發(fā)明結(jié)合閃燒結(jié)過程中的超塑性變形即位錯堆積效應(yīng)對li2tio3晶界進(jìn)行改性，獲得了具有豐富介孔晶界的新型li2tio3氚增殖劑，通過增加界面或氣孔的比例提升氚增殖劑的氚脫附、擴(kuò)散速率，本發(fā)明將為新型陶瓷氚增殖劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

11、閃燒一般是通過導(dǎo)線向試樣施加直流或交流電場，在燒結(jié)升溫過程中增大場強(qiáng)，當(dāng)達(dá)到場強(qiáng)和溫度臨界值時，材料瞬間致密化的新型燒結(jié)工藝，具有燒結(jié)溫度低、燒結(jié)速度快等特點(diǎn)。相較于常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)等傳統(tǒng)燒結(jié)工藝，閃燒只需要在較低溫度下短時間內(nèi)即可完成燒結(jié)，燒結(jié)效率高且節(jié)能環(huán)保；最為重要的是閃燒由于燒結(jié)速度快，能夠使試樣產(chǎn)生超塑性變形，形成高密度堆垛缺陷，進(jìn)而產(chǎn)生豐富的納米介孔晶界，有助于加快氚的擴(kuò)散。

12、在本發(fā)明的一個具體實(shí)施方式中，還包括以下步驟：所述li2tio3粉體的制備過程，包括：

13、(11)將lioh·h2o和tio(oh)2置于裝有多個瑪瑙球的球磨罐中，再加入球磨介質(zhì)，對球磨罐進(jìn)行密封；

14、(12)將密封后的球磨罐置于行星球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，得到漿料；

15、(13)將球磨后的漿料進(jìn)行旋蒸干燥，得到混合粉體；

16、(14)將所述混合粉體置于坩堝中，置于箱式爐中，在空氣氣氛中進(jìn)行預(yù)燒；再研磨、過篩后，得到li2tio3粉體。

17、在本發(fā)明的一個具體實(shí)施方式中，所述步驟(11)中，所述lioh·h2o與tio(oh)2的摩爾比為2:1；所述瑪瑙球的直徑為2-5mm。

18、在本發(fā)明的一個具體實(shí)施方式中，所述步驟(11)中，所述球磨介質(zhì)為無水乙醇。

19、在本發(fā)明的一個具體實(shí)施方式中，所述步驟(12)中，球磨轉(zhuǎn)速為200-300r/min，球磨時間6-8h。

20、在本發(fā)明的一個具體實(shí)施方式中，所述步驟(13)中，所述旋蒸溫度為40-60℃，旋蒸時間為2-4h。

21、在本發(fā)明的一個具體實(shí)施方式中，所述步驟(14)中，所述混合粉體預(yù)燒溫度為500-600℃，預(yù)燒時間為2-4h；所述升溫速率為5℃/min。

22、在本發(fā)明的一個具體實(shí)施方式中，所述步驟(14)中，過篩所用篩網(wǎng)目數(shù)為80-120目。

23、在本發(fā)明的一個具體實(shí)施方式中，所述步驟(2)中，模具為狗骨狀模具，所得的li2tio3素坯為狗骨狀素坯。

24、在本發(fā)明的一個具體實(shí)施方式中，所述步驟(2)中，壓模成型過程中，模壓壓力為2.5-3.5mpa，保壓時間1-1.5min。

25、在本發(fā)明的一個具體實(shí)施方式中，所述步驟(3)中，所述li2tio3素坯兩端中間位置打孔的孔徑為0.8-1.2mm。

26、在本發(fā)明的一個具體實(shí)施方式中，所述步驟(3)中，所述爐溫為600-800℃，一般保溫時間1-2h后爐溫達(dá)到穩(wěn)定；電場強(qiáng)度為70-100v/cm，電流密度為40-80ma/mm2，閃燒時間為10-30s；閃燒過程中，先將爐溫升溫至600-800℃，然后保溫1-2h，待爐溫穩(wěn)定后開啟閃燒。

27、本發(fā)明還提供了上述方法制備的具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的li2tio3氚增殖劑陶瓷。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的li2tio3氚增殖劑陶瓷及其制備方法的有益效果在于：

29、(1)本發(fā)明采用前驅(qū)體粉體壓片成型得到狗骨狀素坯，隨后利用閃燒工藝成型；與傳統(tǒng)的燒結(jié)方法相比，減少了持續(xù)高溫加熱導(dǎo)致的鋰揮發(fā)，確保了增殖劑較高的鋰密度；

30、(2)本發(fā)明采用閃燒工藝獲得“年輪”狀晶界結(jié)構(gòu)，增加了晶界比表面積，豐富了氚的擴(kuò)散通道，提高了氚釋放效率；

31、(3)本發(fā)明制備的氚增殖劑鈦酸鋰陶瓷“年輪”狀晶界結(jié)構(gòu)，有利于減少輻照空洞數(shù)量，阻礙間隙原子堆積以及氦泡簇的形成，提高空位-間隙原子復(fù)合效率，有效提升其抗輻照性能。

技術(shù)特征：

1.一種具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的li2tio3氚增殖劑陶瓷的制備方法，其特征是，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的li2tio3氚增殖劑陶瓷的制備方法，其特征是，所述li2tio3粉體的制備過程，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的li2tio3氚增殖劑陶瓷的制備方法，其特征是，所述步驟(11)中，所述lioh·h2o與tio(oh)2的摩爾比為2:1；所述瑪瑙球的直徑為2-5mm。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的li2tio3氚增殖劑陶瓷的制備方法，其特征是，所述步驟(13)中，所述旋蒸溫度為40-60℃，旋蒸時間為2-4h。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的li2tio3氚增殖劑陶瓷的制備方法，其特征是，所述步驟(14)中，所述混合粉體預(yù)燒溫度為500-600℃，預(yù)燒時間為2-4h。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的li2tio3氚增殖劑陶瓷的制備方法，其特征是，所述步驟(2)中，模具為狗骨狀模具，所得的li2tio3素坯為狗骨狀素坯。

7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的li2tio3氚增殖劑陶瓷的制備方法，其特征是，所述步驟(2)中，壓模成型過程中，模壓壓力為2.5-3.5mpa，保壓時間1-1.5min。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的li2tio3氚增殖劑陶瓷的制備方法，其特征是，所述步驟(3)中，所述li2tio3素坯兩端中間位置打孔的孔徑為0.8-1.2mm。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的li2tio3氚增殖劑陶瓷的制備方法，其特征是，所述步驟(3)中，所述爐溫為600-800℃，電場強(qiáng)度為70-100v/cm，電流密度為40-80ma/mm2，閃燒時間為10-30s。

10.權(quán)利要求1-9任一項(xiàng)所述方法制備得到的具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的li2tio3氚增殖劑陶瓷。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于核材料技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的Li<subgt;2</subgt;TiO<subgt;3</subgt;氚增殖劑陶瓷及其制備方法，首先制備Li<subgt;2</subgt;TiO<subgt;3</subgt;粉體；然后制備Li<subgt;2</subgt;TiO<subgt;3</subgt;素坯；再制備Li<subgt;2</subgt;TiO<subgt;3</subgt;氚增殖劑陶瓷：通過閃燒設(shè)備對Li<subgt;2</subgt;TiO<subgt;3</subgt;素坯素坯進(jìn)行燒結(jié)，獲得具有介孔晶界結(jié)構(gòu)的高釋氚Li<subgt;2</subgt;TiO<subgt;3</subgt;氚增殖劑陶瓷。本發(fā)明基于閃燒技術(shù)，通過調(diào)控閃燒技術(shù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)Li<subgt;2</subgt;TiO<subgt;3</subgt;氚增殖劑陶瓷材料中晶界介孔孔徑及孔密度的精準(zhǔn)調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)Li<subgt;2</subgt;TiO<subgt;3</subgt;氚增殖劑的高效釋氚。

技術(shù)研發(fā)人員：王海亮,尹浩奇,李金鑫,師靜利,劉雯,方成,陳勇強(qiáng),宋博,李明亮,王海龍,楊恒,李衛(wèi)東,歐陽康婧,陳紅
受保護(hù)的技術(shù)使用者：鄭州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6