一种WB2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料及其制备方法

一种wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及核屏蔽复合材料技术领域，更具体的说是一种wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料的制备方法。


背景技术：

2.核能结构相对稳定，能量密度高，是能源利用的有益补充。随着核技术的发展，核反应所产生的辐射污染问题已引起人们的高度重视。其中，中子和γ射线是各种辐射中对人类危害最大的，因此，研制高效稳定的核屏蔽材料已成为一个亟待解决的问题。传统的屏蔽混凝土材料体积大、笨重且不便携，对中子的吸收性能差；铅硼聚乙烯使用温度低，且含有有毒物质；硼钢容易在析出网状硼化物，严重影响材料的性能。因此有必要研制一种轻质环保且具有良好的综合核辐射屏蔽性能的材料。
3.铝或铝合金可以通过加入不同组分不同种类的增强体材料以实现对不同力学性能的需求，且根据增强体的数量或种类可以实现对多种核辐射的屏蔽效应。核屏蔽材料不仅需要能够高效地吸收在一定使用环境下的核辐射，同时需兼顾良好的力学性能，在不同的使用场景下，所需的尺寸也会不同。此外，材料制备的工艺复杂程度与增强体数目相关，当选用复数以上的增强体种类，其制备工艺难度也会随之增加，具体体现在：(1)增强体与基体材料之间的反应性问题；(2)增强体之间的反应性问题；(3)各组分之间的界面结合问题。故应尽可能选择一种增强体材料以简化工艺，使得材料的实用性大大提高。


技术实现要素：

4.本发明提供一种wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料的制备方法，目的是以低成本的方式提升材料整体的力学性能。
5.上述目的通过以下技术方案来实现：
6.一种wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料的制备方法，包括以下步骤：
7.步骤一、将含铝粉末、wb2颗粒和过程控制剂混合，获得复合粉末；
8.步骤二、所述复合粉末置于第一模具中振实，冷压后制成预制体；
9.步骤三、所述预制体置于熔炉中，在热压下，脱模得到坯料；
10.步骤四、制备包套，使包套套装坯料上，获得块体，将所得块体进一步在400-600℃的条件下保温；
11.步骤五、将块体放入第二模具内，随后加压，脱模得到wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料。
12.优选的，含铝粉末为5系铝合金、6系铝合金或7系铝合金。
13.优选的，过程控制剂为硬脂酸。
14.优选的，含铝粉末和wb2的粒径为0.5-50μm。
15.优选的，wb2的体积分数为5-40％。
16.优选的，步骤二中，压力为5-50mpa，且保压5-20min。
17.优选的，步骤三中，熔炉温度为500-650℃，且保温2-5h，热压在40-160mpa条件下保压5-20min。
18.优选的，步骤四中，保温2-5h。
19.优选的，步骤五中，在50-250mpa的条件下加压且保压5-20min。
20.采用上述制备方法制备的陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料，其特征在于，包括wb2和含铝材料复合而成。
21.本发明一种wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料的制备方法的有益效果为：
22.本发明引入一种增强体wb2陶瓷颗粒即实现中子和γ射线的复合屏蔽效果，且由于增强体材料的单一性，材料体系简单，简化了制备工艺。相较于传统的含w、含b体系，wb
2-含铝材料体系可以大大减少组分间的反应性程度，在制备过程中几乎不发生界面反应，提升了材料整体的力学性能。铝基核屏蔽材料可以通过以下方式提高力学性能和屏蔽性能：(1)通过控制增强体种类、数量以及含量实现对不同种类及不同剂量的核辐射屏蔽；(2)在材料的制备过程中，通过调整工艺参数实现对材料机械性能的调整。
附图说明
23.图1为一种wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料的制备方法的流程图；
24.图2为第一模具的结构示意图；
25.图3为包套和坯料在第二模具中的结构示意图；
26.图4为图3中结构的剖面图。
27.图中：1、第一模具；2、第二模具；3、坯料；4、包套。
具体实施方式
28.一种wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料的制备方法，包括以下步骤：
29.步骤一、将含铝粉末、wb2和过程控制剂置通过机械混合24-72h，得到混合均匀的复合粉末；
30.其中，含铝粉末优选为5系铝合金、6系铝合金或7系铝合金；含更优选的为7075铝合金，6061铝合金、5083铝合金等等；
31.优选的，含铝粉末和wb2的粒径为0.5-50μm；
32.屏蔽增强体颗粒wb2，简述为wb2，是一种硬度较高的陶瓷，可同时吸收中子和γ射线，通过改变wb2的体积分数5-40％，可以满足不同的屏蔽性能需求和力学性能需求。
33.其中，过程控制剂优选为硬脂酸，以在粉体的表面形成一层液膜，防止粉体在混合过程中发生团聚的现象。
34.优选的，所述机械混合优选采用v型混料机。
35.步骤二、提及的复合粉末置于第一模具中振实，在5-50mpa的压力下冷压并且保压5-20min制成预制体；
36.其中，第一模具优选为钢模具，第一模具为上下开口的圆柱形结构，使用时需配相应的石墨片，将石墨片压进第一模具下底，装入复合粉末后，压入上底石墨片和热压用石墨片。装入复合粉末前后均可用石棉布覆盖一层以防止漏粉。
37.步骤三、将预制体置于熔炉中，在500-650℃的条件下保温2-5h，随即使用压力机
对第一模具中的预制体施加压力，压力通过压头和石墨片传递到高温复合粉体，完成符合粉体的致密化过程，40-160mpa条件下保压5-20min，脱模得到坯料；
38.其中，熔炉；所述坯料为圆柱形块体；其中压力机优选为液压机，包括施加压力的压头；其中压头优选为钢压头；
39.在高温保温烧结过程中，仅仅在使用方炉即熔炉，熔炉保温性能良好，能达到使用温度和可以容纳所用模具即可，熔炉的型号、类型等不限，能够在大气氛围下即实现了材料的烧结，相较于传统的含w、含b体系需要真空气氛或保护气氛，大大降低了实验难度。同时，在后续的加压过程中，仅使用普通的液压式压力机即实现了对烧结粉体材料的加压保压过程。上述步骤所需设备简单，大大降低了制备成本。
40.步骤四、制备包套，使坯料恰好与包套结合，将所得块体进一步在400-600℃的条件下保温2-5h，同时保温第二模具和压力机的施压部分和支撑模具所用的配件；
41.其中，包套的材质为未热处理的7系铝合金，如7050或7075型号。包套的厚度为5～20mm；撑托模具所用的配件优选为钢板，形状为圆形，可根据所选模具加工不同尺寸的钢板；
42.步骤五、将支撑模具所用的配件置于压力机的平台上，将块体置于支撑模具所用的配件的中心，用第二模具套住块体，且第二模具也在中心位置。通过压力机进一步加压，在50-250mpa的条件下保压5-20min，脱模得到wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料；其中，第二模具相比第一模具不同之处为内径增加，即根据所需要的变形量，选择合适尺寸的第二模具，变形前，块体在第一模具中心位置，如图4所示；变形后，块体的尺寸与第二模具的内径一致；
43.其中，昂贵的热压设备、热等静压设备和放电等离子烧结设备，都存在可烧结材料尺寸不大的问题。而上述工艺中可以通过改变模具和压力的大小，即可制备各种尺寸的wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料，此外，在得到坯料后，继续对材料进行包套、保温和加压操作，进一步使材料致密化，使得可能团聚的wb2颗粒分布相对均匀，从而改善材料的力学性能。
44.优选的，一种wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料的制备方法的实施例一：
45.步骤一、将75vol.％al、25vol.％wb2和1wt.％过程控制剂置于v型混料机中机械混合24-72h，得到混合均匀的复合粉末；
46.步骤二、将复合粉末置于内径为90mm的钢模具中振实，在5-50mpa的压力下冷压并且保压5-20min制成预制体；
47.步骤三、将预制体置于方炉中，在500-650℃的条件下保温2-5h，随即使用液压机，在40-160mpa条件下保压5-20min，脱模得到圆柱形块体，即坯料；
48.步骤四、精车坯料外圆，制备包套，使坯料恰好与包套结合，将所得块体进一步在400-600℃的条件下保温2-5h，同时保温内径130mm的钢模具，液压机的钢压头和钢板；
49.步骤五、将钢板置于液压机平台上，将块体置于钢板中心，将130mm钢模具套住块体，且模具也在中心位置。通过钢压头进一步加压，在50-250mpa的条件下保压5-20min，脱模除去包套得到wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料；
50.由实施例一得到的wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料(25vol.％wb2/al复合材料)整体密度为4.7g/cm3，厚度20mm。表1为实施例一得到的25vol.％wb2/al复合材料的力
学性能和屏蔽性能测试结果。
[0051][0052]
一种陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料的制备方法的实施例二：
[0053]
步骤一、将75vol.％al、25vol.％和1wt.％过程控制剂置于v型混料机中机械混合24-72h，得到混合均匀的复合粉末；
[0054]
步骤二、将复合粉末置于内径为130mm的钢模具中振实，在5-50mpa的压力下冷压并且保压5-20min制成预制体；
[0055]
步骤三、将预制体置于方炉中，在500-650℃的条件下保温2-5h，随即使用液压机，在40-160mpa条件下保压5-20min，脱模得到圆柱形块体，即坯料；
[0056]
步骤四、精车坯料外圆，制备包套，使坯料恰好与包套结合，将所得块体进一步在400-600℃的条件下保温2-5h，同时保温内径180mm的钢模具，液压机的钢压头和钢板；
[0057]
步骤五、将钢板置于液压机平台上，将块体置于钢板中心，将180mm钢模具套住块体，且模具也在中心位置。通过钢压头进一步加压，在50-250mpa的条件下保压5-20min，脱模除去包套得到wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料；
[0058]
由实施例二得到的wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料(25vol.％wb2/al复合材料)整体密度为4.6g/cm3，厚度30mm。表2为实施例2得到的25vol.％wb2/al复合材料的力学性能和屏蔽性能测试结果。
[0059]

技术特征：
1.一种wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将含铝粉末、wb2颗粒和过程控制剂混合，获得复合粉末；步骤二、所述复合粉末置于第一模具中振实，冷压后制成预制体；步骤三、所述预制体置于熔炉中，在热压下，脱模得到坯料；步骤四、制备包套，使包套套装坯料上，获得块体，将所得块体进一步在400-600℃的条件下保温；步骤五、将块体放入第二模具内，随后加压，脱模得到wb2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，含铝粉末为5系铝合金、6系铝合金或7系铝合金。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，过程控制剂为硬脂酸。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，含铝粉末和wb2的粒径为0.5-50μm。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，wb2的体积分数为5-40％。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤二中，压力为5-50mpa，且保压5-20min。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤三中，熔炉温度为500-650℃，且保温2-5h，热压在40-160mpa条件下保压5-20min。8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤四中，保温2-5h。9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤五中，在50-250mpa的条件下加压且保压5-20min。10.采用权利要求1所述的制备方法制备的陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料，其特征在于，包括wb2和含铝材料复合而成。

技术总结
本发明涉及核屏蔽复合材料技术领域，更具体的说是一种WB2陶瓷增强铝基综合核屏蔽复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将含铝粉末、WB2颗粒和过程控制剂置混合，获得复合粉末；步骤二、所述复合粉末置于第一模具中振实，冷压后制成预制体；步骤三、所述预制体置于熔炉中，在热压下，脱模得到坯料；步骤四、制备包套，使包套套装坯料上，获得块体，将所得块体进一步在400-600℃的条件下保温；步骤五、将块体放入第二模具内，加压，脱模得到复合材料。本发明材料体系简单，简化了制备工艺，相较于传统的含W、含B体系，WB


技术研发人员：徐林伟 乔菁 刘明祺 晁振龙 姜龙涛 武高辉
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/23