[发明专利]一种高温结构功能一体化Mg(Al)B2

说明书

本发明公开了一种高温结构功能一体化Mg(Al)B₂和B₄C共增强铝基中子吸收材料及其制备方法，属于中子吸收材料和铝基复合材料技术领域。该方法优化了基体合金成分，通过B₄C颗粒预氧化增加其润湿性，并通过升温‑加压至规定致密度‑慢速升温控制原位反应‑再次加压实现致密化，通过规定两次加压后的致密度和原位反应时的升温速度，来控制烧结过程中液相的含量以及均匀分布，从而制备出高温结构功能一体化中子吸收材料。本发明通过相应的热压温度和升温速度调控来控制热压烧结过程中的液相含量，使界面反应持续、可控、彻底地进行，直至最终Mg元素耗尽、液相消失，即完成瞬时液相反应烧结过程。所得材料中，纳米Mg(Al)B₂弥散分布在基体内，显著增强材料高温性能。

技术领域

本发明涉及中子吸收材料和铝基复合材料技术领域，具体涉及一种高温结构功能一体化Mg(Al)B₂和B₄C共增强铝基中子吸收材料及其制备方法。

背景技术

在核反应堆的运行过程中，不断地把核燃料转变为乏燃料，即使用后的核燃料。乏燃料具有较高放射性，安全发展核电需要可靠的乏燃料贮存技术。乏燃料在运输、贮存的过程中需要中子吸收材料进行屏蔽防护，同时将反应维持在次临界安全状态。目前的贮存方式是将维持乏燃料次临界状态的中子吸收材料与结构材料配合使用，通常为B₄C/Al中子吸收材料置于不锈钢板夹层中。由于不锈钢导热能力较差，不利于乏燃料贮存装置的散热，需要通水冷却，导致贮存装置维护困难，而且降低了贮存装置长期使用的安全可靠性。因此，乏燃料贮存需要更可靠的干式贮存技术。然而，乏燃料干式贮存装置长期处于高温状态，普通的B₄C/Al不具备良好的高温强度，因而需要发展耐高温、具有中子吸收能力的结构功能一体化铝基中子吸收材料。

相比于微米级增强相，纳米级陶瓷颗粒在铝基体中可实现更高的增强效率。对现有资料进行检索发现，目前对具有耐高温铝基中子吸收材料研究的报道较少。申请号为201611079600.7的专利“一种高温结构功能一体化B₄C/Al中子吸收材料的制备方法”中，所制备的材料在高温下具有足够的高温强度，但其制备过程中为了引入足够的氧化铝，需要将片状铝粉球磨至极薄，这样制备的材料晶粒过细，导致材料高温及室温塑性极差，挤压与轧制等热加工十分困难。另外，由于片状铝粉流动性较差，烧结时很难致密化，容易出现孔洞等缺陷。而且，片状铝粉松装密度极低，难于制备大尺寸块体材料。申请号为CN201711291924.1的专利“一种高温结构功能一体化碳化硼增强铝基中子吸收材料的制备方法”，使用成本较高的超细铝粉表面的氧化铝来增强材料高温强度，同样面临着铝粉烧结困难的不足。另有申请号为 CN201910212249.1、CN201910212574.8和CN201910212574.8的专利，其制备过程中需要使用将纳米颗粒球磨至基体中，其过程危险耗时，更重要的是不利于大规模工业生产。

文献“Enhancing high-temperature strength of B₄C-6061Al neutronabsorber material by in-situ Mg(Al)B₂，Journal of Nuclear Materials，2019；526：151788”报道，B₄C颗粒可以与6061铝基体中的Mg发生反应生成纳米Mg(Al)B₂颗粒(MgB₂中一定量的 Mg原子被Al原子替代)，使材料高温性能提高。然而，6061铝基体中Mg含量极低(1wt.％)，且Si、Cu等元素在该材料体系中无明显高温增强作用，因此该材料高温强度不足以满足实际工程需求。若提高原料中Mg元素含量，如仍使用常规的“升温 -加压-降温”烧结工艺，热压过程中会出现大量液相，烧结过程中所生成Mg(Al)B₂颗粒尺寸过大且团聚，增强效率低，且由于重力作用液体下沉，会造成成分不均匀甚至漏液；而如果降低烧结温度，则反应无法充分进行，最终材料中Mg(Al)B₂颗粒含量少，有大量镁元素剩余，使材料高温强度不足。