本發(fā)明涉及復(fù)合陶瓷制備，尤其是涉及一種鈦酸鍶/氮化硼納米管復(fù)合陶瓷芯塊及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、從高放廢液中提取的放射性核素90sr可以制備同位素?zé)嵩措姵?，其熱源芯塊主要成分是鈦酸鍶(90srtio3)陶瓷。高功率放射性同位素?zé)嵩措姵卦陂L(zhǎng)期服役過程中面臨的高溫和強(qiáng)輻照等苛刻環(huán)境會(huì)導(dǎo)致芯塊輻照損傷、物理力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性退化從而限制其熱傳輸效率和使用壽命，嚴(yán)重制約高功率放射性同位素?zé)嵩措姵氐陌l(fā)展。如何有效提高90srtio3陶瓷芯塊的耐高溫、導(dǎo)熱、力學(xué)和抗輻照等性能，確保高功率放射性同位素?zé)嵩措姵氐母咝А踩褂檬钱?dāng)下非常重要的問題。

2、現(xiàn)有陶瓷材料性能增強(qiáng)技術(shù)，主要是在單一陶瓷中引入二次強(qiáng)化相制備成復(fù)合陶瓷。有技術(shù)文獻(xiàn)(鈦酸鍶基熱電復(fù)合材料的制備及性能研究[d].東華大學(xué),2022)，公開了一種碳納米管(cnt)和鈦酸鍶(srtio3)陶瓷復(fù)合材料的制備方法，其方法是通過異相沉積法將cnt和srtio3復(fù)合后采用放電等離子體燒結(jié)，不足之處是在高溫下cnt中的碳將與srtio3晶格中的氧反應(yīng)。因此，當(dāng)高功率放射性同位素?zé)嵩措姵匦緣K在高溫條件下長(zhǎng)期服役時(shí)，cnt的結(jié)構(gòu)將會(huì)被氧損壞，導(dǎo)致cnt強(qiáng)化技術(shù)對(duì)90srtio3陶瓷芯塊的增強(qiáng)性能變差，影響核電池的使用壽命和性能。

3、有技術(shù)文獻(xiàn)(90sr同位素電池放射源的設(shè)計(jì)模擬與輻射優(yōu)化[j].同位素,2024,37(1):49-54.)，公開了一種在鈦酸鍶粉末配料中增加了原粉末質(zhì)量十分之一的氮化硼粉末的復(fù)合陶瓷芯塊，根據(jù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)增添氮化硼后，芯塊的熱阻有著明顯的降低，這對(duì)提高電池的熱電轉(zhuǎn)化性能有著積極作用，但是該方法表現(xiàn)出氮化硼的分散性不好，降低了氮化硼對(duì)鈦酸鍶陶瓷的強(qiáng)化作用，而且該技術(shù)文獻(xiàn)中的氮化硼的質(zhì)量占比太大，從而導(dǎo)致芯塊的體積大大增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了提供一種鈦酸鍶/氮化硼納米管復(fù)合陶瓷芯塊及其制備方法和應(yīng)用，有效提高90srtio3陶瓷芯塊的導(dǎo)熱和力學(xué)性能。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

3、一方面，本發(fā)明提供一種鈦酸鍶/氮化硼納米管復(fù)合陶瓷芯塊，所述復(fù)合陶瓷芯塊采用鈦酸鍶和氮化硼納米管制備得到，所述鈦酸鍶/氮化硼納米管復(fù)合陶瓷芯塊中氮化硼納米管質(zhì)量百分比為0.1％～3％。

4、優(yōu)選地，所述氮化硼納米管平均直徑50nm，長(zhǎng)度為10-20μm，所述鈦酸鍶平均粒徑為200nm。

5、第二方面，本發(fā)明還提供一種上述鈦酸鍶/氮化硼納米管復(fù)合陶瓷芯塊的制備方法，包括以下步驟：

6、s1：采用堿性溶液對(duì)氮化硼納米管功能化，得到表面改性的氮化硼納米管；

7、s2：將鈦酸鍶均勻分散于無水乙醇中，得到鈦酸鍶漿料，并不斷攪拌；

8、s3：將表面改性的氮化硼納米管均勻分散于無水乙醇中，得到表面改性的氮化硼納米管漿料，并加入到鈦酸鍶漿料中，得到鈦酸鍶/氮化硼納米管漿料，并不斷攪拌；

9、s4：加熱攪拌鈦酸鍶/氮化硼納米管漿料，得到鈦酸鍶/氮化硼納米管復(fù)合粉末；

10、s5：將鈦酸鍶/氮化硼納米管復(fù)合粉末進(jìn)行芯塊胚體壓制成型并燒結(jié)，得到鈦酸鍶/氮化硼納米管復(fù)合陶瓷芯塊。

11、優(yōu)選地，步驟s1中，所述堿性溶液包括氫氧化鈉溶液，所述氫氧化鈉的濃度為5～6mol/l，所述氮化硼納米管與氫氧化鈉溶液的用量比為(10～100mg):15ml。

12、進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟s1中，所述功能化的具體過程為：將氮化硼納米管超聲分散于氫氧化鈉溶液中，置于聚四氟乙烯襯里的水熱反應(yīng)釜中，在110-180℃溫度下反應(yīng)12-24h后，離心過濾洗滌至中性，并以70～90℃烘干12～24h。步驟s1利用氫氧化鈉溶液在反應(yīng)釜中的高溫高壓條件下對(duì)氮化硼納米管進(jìn)行功能化，使氮化硼納米管表面的硼原子鍵合上羥基，獲得表面改性的氮化硼納米管。

13、進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟s1中，所述功能化的具體過程為：將氮化硼納米管超聲分散于氫氧化鈉溶液中，隨后將其裝入聚四氟乙烯襯里的水熱反應(yīng)釜中，在110-180℃溫度下反應(yīng)12-24小時(shí)，取出用離心機(jī)離心過濾，用去離子水將氮化硼納米管洗滌至中性，再將氮化硼納米管放在干燥箱中80℃烘干，即獲得所述改性氮化硼納米管。

14、優(yōu)選地，步驟s2中，所述攪拌通過頂置式電動(dòng)攪拌器攪拌，攪拌速度為300～1200rpm。頂置式電動(dòng)攪拌器攪拌可以很好地將鈦酸鍶和氮化硼納米管漿料充分混合，保證二者在濕法混合過程中不會(huì)分層。

15、進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟s2中，將鈦酸鍶末放入燒杯中，加入無水乙醇超聲分散后，把鈦酸鍶漿料轉(zhuǎn)移到另一個(gè)大燒杯中，并用頂置式電動(dòng)攪拌器不間斷攪拌。

16、優(yōu)選地，步驟s3中，所述分散包括超聲分散，所述超聲分散時(shí)間為2-3h，所述超聲分散的過程中，所述表面改性的氮化硼納米管漿料的溫度不高于60℃。

17、優(yōu)選地，步驟s3中，所述表面改性的氮化硼納米管漿料1-5ml每秒的速度滴加至鈦酸鍶漿料中。

18、進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟s3中，采用吸管將表面改性的氮化硼納米管漿料滴加至鈦酸鍶漿料中。

19、優(yōu)選地，步驟s4中，所述加熱攪拌直至鈦酸鍶-氮化硼納米管漿料中的溶劑烘干，所述鈦酸鍶/氮化硼納米管復(fù)合粉末得到之前還包括將溶劑混干的鈦酸鍶/氮化硼納米管漿料放入真空干燥箱進(jìn)一步烘干，所述真空干燥箱的干燥溫度為80～120℃，干燥時(shí)間為20～30h。

20、優(yōu)選地，步驟s5中，所述燒結(jié)的方法包括放電等離子體燒結(jié)，所述燒結(jié)溫度為1050～1200℃，所述燒結(jié)壓力為80～100mpa，在達(dá)到所述燒結(jié)溫度后保溫3～5min；在所述保溫結(jié)束后，降溫到700～900℃并去除壓力保溫5～10min。

21、第三方面，本發(fā)明還提供一種上述的鈦酸鍶/氮化硼納米管復(fù)合陶瓷芯塊的應(yīng)用，包括在高功率放射性同位素?zé)嵩措姵匦緣K的應(yīng)用。

22、氮化硼納米管(bnnt)與cnt具有相似的結(jié)構(gòu)，除了具有高熱導(dǎo)率以及優(yōu)異的力學(xué)性能外，比cnt具有更優(yōu)異的高溫抗氧化性，而且bnnt中的硼等輕元素可以有效減少β粒子與芯塊基體相互作用產(chǎn)生的韌致輻射從而減少熱源芯塊對(duì)環(huán)境的輻射劑量，因此可以使用在高溫氧化環(huán)境的同位素?zé)嵩囱趸锾沾尚緣K領(lǐng)域。為此，本發(fā)明提供一種鈦酸鍶/氮化硼納米管復(fù)合陶瓷芯塊及其制備方法和應(yīng)用。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

24、(1)本發(fā)明以srtio3陶瓷為主體，并在陶瓷基體中構(gòu)建bnnt網(wǎng)絡(luò)，其中，具有優(yōu)異力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能的bnnt作為強(qiáng)化相，提高了陶瓷芯塊的致密度和均勻性，充分保證了復(fù)合陶瓷芯塊的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能。

25、(2)bnnt比cnt具有更優(yōu)異的熱化學(xué)穩(wěn)定性，可以在高溫和化學(xué)活性的惡劣環(huán)境中使用，所以其在高功率放射性同位素?zé)嵩措姵匦緣K中的強(qiáng)化作用更優(yōu)異。

26、(3)本發(fā)明在制備鈦酸鍶陶瓷芯塊的過程中，通過對(duì)氮化硼納米管表面修飾上羥基以及濕法攪拌混合技術(shù)，提高了氮化硼納米管在鈦酸鍶陶瓷粉末中的均勻分散性，保持了氮化硼納米管結(jié)構(gòu)完整性。

27、(4)本發(fā)明通過改進(jìn)的濕法混合的方式，不僅可以將氮化硼納米管很好地分散在鈦酸鍶陶瓷基體中，還可以避免球磨造成氮化硼的損傷，通過使用優(yōu)化質(zhì)量占比的高晶體質(zhì)量的氮化硼納米管會(huì)進(jìn)一步增加芯塊的熱導(dǎo)率，降低芯塊的熱阻，在保證熱源芯塊體積不明顯增加的前提下，對(duì)提高電池的熱電轉(zhuǎn)化性能有著更積極作用。

28、(5)本發(fā)明鈦酸鍶/氮化硼納米管復(fù)合陶瓷芯塊制備方法和工藝條件簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，有利于推廣使用。