[发明专利]一种纳米富10B碳化硼粉体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用作中子吸收材料的富¹⁰B碳化硼纳米粉体的制备方法，属于新材料技术领域。

背景技术

在核反应堆堆芯组件中，中子吸收材料（控制棒、调节棒、事故棒、安全棒、屏蔽棒）是仅次于燃料元件的重要功能元件，发展核电离不开高性能的中子吸收材料。碳化硼的中子吸收截面高、吸收能谱宽、价格低，吸收中子后没有强的γ射线二次辐射，从而废料易于处理，因此是一种重要的中子吸收材料。据介绍，碳化硼是国际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赖于碳化硼中¹⁰B的含量。硼有两种同位素，即：¹⁰B和¹¹B。在天然硼原料中，¹⁰B只占18%～19.8%，其余为不具中子吸收性的¹¹B。因此，提高碳化硼的中子吸收能力，就需要提高¹⁰B含量，需要高¹⁰B丰度的碳化硼材料。

关于碳化硼粉体的合成已有许多报道。贾宝瑞等综述了碳化硼粉末制备方法的研究进展，认为：碳化硼粉末的制备方法有碳热还原法、自蔓延高温合成法、元素直接合成法、化学气相沉积法和机械合金化法等,其中碳热还原法和自蔓延高温合成法是2种较有前途的方法。碳热还原法能耗高、生产能力较低，并且合成的粉末粒径大，破碎过程易引入金属杂质，降低粉末纯度，大大增加了生产成本。自蔓延高温合成法是使用镁作为高温助熔剂，镁粉、炭黑和硼酸混合后，在1700℃下反应生成碳化硼粉末，所得产物粒径较小，但产物氧化镁在后续处理中很难处理干净。

如何研究一种低成本、低能耗、外来杂质少的富¹⁰B碳化硼纳米粉体制备工艺是国内外学者的研究热点。专利CN101746756A公开了一种富10B碳化硼粉体及其制备方法。将¹⁰B丰度40～96%的硼酸粉体75～85份与碳粉15～25份球磨混合,在600～800℃煅烧;将煅烧后的粉体磨细,放在石墨模具中在氩气或真空中、1700～1850℃进行碳化,得富¹⁰B碳化硼粉体。这种制备富¹⁰B碳化硼粉体的方法优点是设备结构简单、占地面积小、工艺操作成熟稳定，但是该法也有较大的缺陷，包括能耗大、生产能力较低、高温下对炉体的损坏严重，尤其是合成的原始粉末平均粒径大（20～40μm），作为烧结碳化硼的原料还需要大量的破碎处理工序，大大增加了生产成本。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种纳米富¹⁰B碳化硼粉体的制备方法，得到的粉体纯度高、颗粒均匀。

术语说明：¹⁰B丰度：本发明中¹⁰B的丰度是指终产品碳化硼粉体中¹⁰B的相对含量，%的单位是原子数百分比，直接用“%”表示；中位粒径：是指粉体材料的累积粒度分布百分数达到50%时达到的粒径，用d₅₀表示。

本发明采取的技术方案为：

一种纳米富¹⁰B碳化硼粉体的制备方法，包括步骤如下：

（1）将¹⁰B丰度为65%～90%的硼酸与丙三醇按摩尔比0.5～3：1混合后球磨，球磨10～30min；

（2）将球磨后的混合液转移到氧化铝坩埚中，加热至120℃～180℃，保温时间为0.5小时～3小时，在空气中干燥除去结晶水；

（3）将去结晶水后的混合液在空气中进行加热，加热至温度为450℃-650℃，保温0.5小时～3小时，冷却后待研磨；

（4）将加热后所得产物磨碎，过100～200目筛，得到粒径小于1毫米的颗粒；

（5）将上述颗粒压制成块体（优选立方块体）；

（6）将所述块体放入石墨坩埚中，密封，通过真空炉在真空或流动氩气气氛中进行高温无压处理，1300℃～1600℃保温1～5小时，随炉冷却，即得。

上述步骤（1）中球磨时球磨罐内衬和球磨介质均为95wt%的氧化铝陶瓷（以下简称95瓷）。

步骤（2）中加热的升温速率为5℃/分钟～10℃/分钟。

步骤（3）中加热的升温速率为5℃/分钟～10℃/分钟。

步骤（5）中压制压力为20Mp～30Mp,保压时间为3分钟～5分钟。

步骤（6）中高温处理升温速率为10℃/分钟～20℃/分钟。