專利名稱：一種納米富¹⁰B碳化硼粉體的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用作中子吸收材料的富kiB碳化硼納米粉體的制備方法，屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在核反應(yīng)堆堆芯組件中，中子吸收材料(控制棒、調(diào)節(jié)棒、事故棒、安全棒、屏蔽棒)是僅次于燃料元件的重要功能元件，發(fā)展核電離不開高性能的中子吸收材料。碳化硼的中子吸收截面高、吸收能譜寬、價(jià)格低，吸收中子后沒有強(qiáng)的Y射線二次輻射，從而廢料易于處理，因此是ー種重要的中子吸收材料。據(jù)介紹，碳化硼是國(guó)際上唯一普遍采用的快中子吸 收材料。碳化硼的中子吸收能力主要依賴于碳化硼中kiB的含量。硼有兩種同位素，即和11B。在天然硼原料中，kiB只占18% 19.8%，其余為不具中子吸收性的11B。因此，提高碳化硼的中子吸收能力，就需要提高kiB含量，需要高kiB豐度的碳化硼材料。關(guān)于碳化硼粉體的合成已有許多報(bào)道。賈寶瑞等綜述了碳化硼粉末制備方法的研究進(jìn)展，認(rèn)為碳化硼粉末的制備方法有碳熱還原法、自蔓延高溫合成法、元素直接合成法、化學(xué)氣相沉積法和機(jī)械合金化法等，其中碳熱還原法和自蔓延高溫合成法是2種較有前途的方法。碳熱還原法能耗高、生產(chǎn)能力較低，并且合成的粉末粒徑大，破碎過程易引入金屬雜質(zhì)，降低粉末純度，大大增加了生產(chǎn)成本。自蔓延高溫合成法是使用鎂作為高溫助熔劑，鎂粉、炭黑和硼酸混合后，在1700°C下反應(yīng)生成碳化硼粉末，所得產(chǎn)物粒徑較小，但產(chǎn)物氧化鎂在后續(xù)處理中很難處理干凈。如何研究一種低成本、低能耗、外來雜質(zhì)少的富、碳化硼納米粉體制備エ藝是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。專利CN101746756A公開了ー種富IOB碳化硼粉體及其制備方法。將10B豐度40 96%的硼酸粉體75 85份與碳粉15 25份球磨混合，在600 800°C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，得富kiB碳化硼粉體。這種制備富kiB碳化硼粉體的方法優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)単、占地面積小、エ藝操作成熟穩(wěn)定，但是該法也有較大的缺陷，包括能耗大、生產(chǎn)能力較低、高溫下對(duì)爐體的損壞嚴(yán)重，尤其是合成的原始粉末平均粒徑大(20 40 μ m)，作為燒結(jié)碳化硼的原料還需要大量的破碎處理工序，大大增加了生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種納米富、碳化硼粉體的制備方法，得到的粉體純度高、顆粒均勻。術(shù)語說明=kiB豐度本發(fā)明中kiB的豐度是指終產(chǎn)品碳化硼粉體中kiB的相對(duì)含量，％的單位是原子數(shù)百分比，直接用“％”表示；中位粒徑是指粉體材料的累積粒度分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時(shí)達(dá)到的粒徑，用d5(l表示。本發(fā)明采取的技術(shù)方案為
一種納米富wB碳化硼粉體的制備方法，包括步驟如下(I)將wB豐度為65% 90%的硼酸與丙三醇按摩爾比O. 5 3 :1混合后球磨，球磨 10 30min ； (2)將球磨后的混合液轉(zhuǎn)移到氧化鋁坩堝中，加熱至120°C 180°C，保溫時(shí)間為O. 5小吋 3小時(shí)，在空氣中干燥除去結(jié)晶水；(3)將去結(jié)晶水后的混合液在空氣中進(jìn)行加熱，加熱至溫度為450°C _650°C，保溫O. 5小吋 3小時(shí)，冷卻后待研磨；(4)將加熱后所得產(chǎn)物磨碎，過100 200目篩，得到粒徑小于I毫米的顆粒；(5)將上述顆粒壓制成塊體(優(yōu)選立方塊體)；(6)將所述塊體放入石墨坩堝中，密封，通過真空爐在真空或流動(dòng)氬氣氣氛中進(jìn)行高溫?zé)o壓處理，1300°C 1600°C保溫I 5小時(shí)，隨爐冷卻，即得。上述步驟(I)中球磨時(shí)球磨罐內(nèi)襯和球磨介質(zhì)均為95wt%的氧化鋁陶瓷(以下簡(jiǎn)稱95瓷)。步驟(2)中加熱的升溫速率為5°C /分鐘 10°C /分鐘。步驟(3)中加熱的升溫速率為5°C /分鐘 10°C /分鐘。步驟(5)中壓制壓カ為20Mp 30Mp，保壓時(shí)間為3分鐘 5分鐘。步驟(6)中高溫處理升溫速率為10°C /分鐘 20°C /分鐘。其中，步驟(I)中丙三醇為分析純。步驟(2)和步驟(3)中所述的坩堝在馬弗爐中加熱。步驟4所述的加熱后的產(chǎn)物在氧化鋁研缽中磨碎。本發(fā)明是利用丙三醇作為溶劑，將硼酸溶于丙三醇加熱制成均一的溶液，然后在空氣中低溫加熱，使溶液轉(zhuǎn)化為黑灰色固體，XRD結(jié)果顯示其成份為氧化硼和碳。本發(fā)明方法エ藝簡(jiǎn)單，能耗低，而且沒有引入外來雜質(zhì)，在相對(duì)較低的溫度下合成了富kiB碳化硼納米粉體，且具備高的中子吸收性，是用于核反應(yīng)堆控制棒、調(diào)節(jié)棒、事故棒、安全棒、屏蔽棒的理想原料。本專利相對(duì)于專利CN101746756A有許多優(yōu)點(diǎn)，如原料相對(duì)便宜，設(shè)備結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，燒結(jié)溫度更低，因而沒有對(duì)爐體損壞，并且合成的粉體粒徑更小。


圖I是實(shí)施例I產(chǎn)物的XRD圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步說明，但不限于此。實(shí)施例I :(I)將iqB豐度為65%的富iqB硼酸粉體(純度〉98%，d50 < 300 μ m,大連博恩坦科技有限公司產(chǎn))50g，與丙三醇60ml混合，球磨混合后放入氧化鋁坩堝中，在空氣中加熱到1200C，保溫2小時(shí)，形成成分均一的混合液體。(2)將上述液體放入馬弗爐中在空氣中加熱，加熱溫度為450°C，保溫時(shí)間為O. 5小時(shí)，升溫速率為5°C /分鐘。(3)將加熱后所得產(chǎn)物用氧化鋁研缽磨碎，過100目篩，形成粒徑小于I毫米的顆粒。
(4)將上述顆粒壓制成立方塊體，壓カ為20Mp,保壓時(shí)間為3分鐘。 (5)將上述塊體放入石墨坩堝中，密封，裝入真空爐中，在真空或者氬氣氣氛中對(duì)其進(jìn)行高溫處理，升溫至1300°C保溫5小時(shí)，升溫速率為10°C /分鐘，隨爐冷卻，得到富kiB碳化硼粉。主晶相為B4C相，純度為98%，10B豐度為65%。實(shí)施例2 (I)將iqB豐度為68%的富iqB硼酸粉體(純度〉98%，d50 < 300 μ m,大連博恩坦科技有限公司產(chǎn))50g，與丙三醇30ml混合，球磨混合后放入氧化鋁坩堝中，在空氣中加熱到1500C，保溫2小時(shí)，形成成分均一的混合液體。(2)將上述液體放入馬弗爐中在空氣中加熱，加熱溫度為550°C，保溫時(shí)間為I小時(shí)，升溫速率為5°C /分鐘。
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(3)將加熱后所得產(chǎn)物用氧化鋁研缽磨碎，過200目篩，形成粒徑小于I毫米的顆粒。(4)將上述顆粒壓制成立方塊體，壓カ為30Mp，保壓時(shí)間為5分鐘。(5)將上述塊體放入石墨坩堝中，密封，裝入真空爐中，在真空或者氬氣氣氛中對(duì)其進(jìn)行高溫處理，升溫至1500°C保溫3小時(shí)，升溫速率為15°C /分鐘，隨爐冷卻，得到富kiB碳化硼粉。主晶相為B4C相，純度為98%，10B豐度為68%。實(shí)施例3 (I)將iqB豐度為90%的富iqB硼酸粉體(純度〉98%，d50 < 300 μ m,大連博恩坦科技有限公司產(chǎn))50g，與丙三醇40ml混合，球磨混合后放入氧化鋁坩堝中，在空氣中加熱到1800C，保溫2小時(shí)，形成成分均一的混合液體。(2)將上述液體放入馬弗爐中在空氣中加熱，加熱溫度為650°C，保溫時(shí)間為3小時(shí)，升溫速率為5°C /分鐘。(3)將加熱后所得產(chǎn)物用氧化鋁研缽磨碎，過100目篩，形成粒徑小于I毫米的顆粒。(4)將上述顆粒壓制成立方塊體，壓カ為30Mp，保壓時(shí)間為5分鐘。(5)將上述塊體放入石墨坩堝中，密封，裝入真空爐中，在真空或者氬氣氣氛中對(duì)其進(jìn)行高溫處理，升溫至1600°C保溫3小時(shí)，升溫速率為15°C /分鐘，隨爐冷卻，得到富kiB碳化硼粉。主晶相為B4C相，純度為98%，10B豐度為90%。
權(quán)利要求
1.一種納米富kiB碳化硼粉體的制備方法，其特征是，包括步驟如下 (1)將kiB豐度為65% 90%的硼酸與丙三醇按摩爾比O.5 3 :1混合后球磨，球磨10 30min ； (2)將球磨后的混合液轉(zhuǎn)移到氧化鋁坩堝中，加熱至120°C 180°C，保溫時(shí)間為O.5小時(shí) 3小時(shí)，在空氣中干燥除去結(jié)晶水； (3)將去結(jié)晶水后的混合液在空氣中進(jìn)行加熱，加熱至溫度為450°C_650°C，保溫O. 5小時(shí) 3小時(shí)，冷卻； (4)將加熱后所得產(chǎn)物磨碎，過100 200目篩，得到粒徑小于I毫米的顆粒； (5)將上述顆粒壓制成塊體； (6)將所述塊體放入石墨坩堝中，密封，通過真空爐在真空或氬氣氣氛中進(jìn)行高溫處理，1300°C 1600°C保溫I 5小時(shí)，隨爐冷卻，即得。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種納米富kiB碳化硼粉體的制備方法，其特征是，步驟(2)中加熱的升溫速率為5°C /分鐘 10°C /分鐘，步驟(3)中加熱的升溫速率為5°C /分鐘 I (TC /分鐘。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種納米富kiB碳化硼粉體的制備方法，其特征是，步驟(5)中壓制壓力為20Mp 30Mp，保壓時(shí)間為3分鐘 5分鐘。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種納米富kiB碳化硼粉體的制備方法，其特征是，步驟(6)中高溫處理升溫速率為10°C /分鐘 20°C /分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米富10B碳化硼粉體的制備方法，將10B豐度為65%～90%的硼酸與丙三醇按摩爾比0.5～3∶1混合后球磨，然后加熱除去結(jié)晶水，在450℃-650℃下熱處理后研磨，壓塊、1300℃～1600℃下高溫處理，冷卻制得。本發(fā)明方法工藝簡(jiǎn)單，能耗低，而且沒有引入外來雜質(zhì)，在相對(duì)較低的溫度下合成了富10B碳化硼納米粉體，且具備高的中子吸收性，是用于核反應(yīng)堆控制棒、調(diào)節(jié)棒、事故棒、安全棒、屏蔽棒的理想原料。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK102674356SQ20121016661
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月25日
發(fā)明者張玉軍, 江雅珍, 焦倩, 趙玉軍, 魏汝斌, 龔紅宇 申請(qǐng)人:山東大學(xué)