[发明专利]一种纤维复合碳化硼泡沫陶瓷材料的制备方法

说明书

本发明属于无机材料制备技术领域，公开了一种纤维复合碳化硼泡沫陶瓷材料的制备方法，即将碳化硼粉配成水浆料，按比例依次加入助剂、纤维、聚甲基丙烯酸铵和粘结剂制得原料液，之后将原料液放置于冷冻装置中进行定向冷冻，冷冻完全后干燥得到冻干坯体，在氩气流氛围烧结得到纤维复合碳化硼泡沫陶瓷材料。该工艺方法简单、能耗较低、无污染；制备的碳化硼材料孔径、取向均匀可调，孔结构可将硼吸收中子副产物氦及时排出；层板状结构致密，能够防止射线无阻碍穿过；纤维嵌入层板或桥连相邻层板间增强其机械强度、提高散热能力。制备的材料可用于核电工业、防护装甲等领域，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于无机材料制备技术领域，涉及到一种纤维复合碳化硼泡沫陶瓷材料的制备方法。

背景技术

碳化硼及其复合材料具有密度低、硬度高、耐高温、耐腐蚀和良好的化学稳定性，同时具有优异的中子吸收性能，可用于核反应堆芯组件中的吸收棒、控制棒、安全棒，同时也是乏燃料容器及辐射防护的材料。目前碳化硼陶瓷的制备工艺多是以纯碳化硼或加入少量烧结助剂后经热压或无压烧结而成；此方法需要高温，对设备要求高且能耗大，制备的碳化硼材料密度高、但是韧性较差，难以适应对屏蔽材料轻量化、易加工和便于更换的使用需求。

为了改善碳化硼材料制备成本高，烧结难和比重大的问题，可以采用有机聚合物为基体，将碳化硼粉分散于基体中并通过共混、挤出、固化等工艺制备复合材料。该类工艺制得的材料密度较小，但基体中碳化硼含量较低，射线易直接穿过碳化硼颗粒间缝隙，屏蔽效果有限，其导热性、耐热性和抗老化能力也有待提高；该类材料受到长期辐照后会导致聚合物分子量降低，软化温度下降，使其不能用于高放射性的乏燃料池材料或运输容器。

上述两类碳化硼材料均为致密块体材料，无法将碳化硼吸收中子后产生的副产物氦及时排出，会导致材料肿胀、碎裂、失效，甚至引发安全问题。随着我国核电工业的快速发展，乏燃料运输和贮存容器材料以及核屏蔽材料的需求与日俱增，当前迫切需要开发高性能的碳化硼陶瓷材料。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种纤维复合碳化硼泡沫陶瓷材料的制备方法，通过纤维增强的多孔结构设计改善了材料的力学和传热性能，能使中子吸收副产物氦排出提供孔道的同时，致密层板堆叠结构有效防止射线直接穿过，同时利用层板间反射、折射可促使射线能量衰减，制备的材料可满足核屏蔽和电磁屏蔽领域的使用要求。

一种纤维复合碳化硼泡沫陶瓷材料的制备方法，步骤如下：

步骤1.将碳化硼粉配成水浆料，按比例依次加入助剂、纤维、聚甲基丙烯酸铵，在100～400r/min下混合球磨1～20h得到混合浆料；之后将混合浆料加热至30～90℃，加入粘结剂搅拌均匀得到原料液；

步骤2.将步骤1中制得的原料液倒入预先准备好的冷冻容器，将此容器放置于预先准备好的冷冻装置的金属导热柱顶部，以液氮为冷源注入冷冻装置桶内，对放置其顶部冷冻容器内的原料液进行定向冷冻；冷冻完全后将其放置于冷冻干燥箱中进一步干燥得到冻干坯体；

步骤3.将步骤2中获得的冻干坯体在氩气流氛围一定温度下烧结、冷却至室温后得到纤维复合碳化硼泡沫陶瓷材料。

根据上述方案，步骤1中所述碳化硼为粒径0.2-10μm工业碳化硼粉。

根据上述方案，步骤1中所述碳化硼添加量为水质量的10-45％。

根据上述方案，步骤1中所述助剂为羧甲基纤维素钠、明胶、聚乙烯醇中的一种或几种。

根据上述方案，步骤1中所述助剂添加量为固体组分质量的0.5-20％。

根据上述方案，步骤1中所述纤维为碳化硅纤维、碳纤维、碳纳米管中的一种或几种。

根据上述方案，步骤1中所述纤维添加量为固体组分质量的0.5-10％。