[发明专利]一种基于硅酸锂的梯度陶瓷微球的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种作为固态氚增殖剂材料的硅酸锂梯度陶瓷微球的制备方法，该材料用于聚变反应堆增值包层中氚增值，属于核材料领域。

技术背景

为了解决世界能源与环境问题，各国把开发清洁新能源作为解决危机的有效途径之一。其中核聚变能被视为最具吸引力的能源之一。热核聚变需要氘(D)和氚(T)作为燃料。氘在自然界有着丰富储量，足够人类使用上亿年。然而氚必须通过人工制备的方式获取，因为氚的半衰期只有12.5年，自然界几乎不存在可以利用的氚资源。氚的生产一般是通过⁶Li(n,α)T反应来实现。为了实现燃料循环，反应堆必须做到氚的自给自足。为此，需要在聚变堆包层中加入含锂的氚增值剂，利用堆芯的D-T反应产生的中子和增值包层内的含锂材料反应产生氚而实现氚增值。

锂基陶瓷作为一种固态氚增值材料，具有使用方便，热机械性能好，抗辐照能力强等特点。其中硅酸锂(Li₄SiO₄)以其合适的锂密度，良好的释氚性能被认为是最理想的固态氚增值剂之一。中国和欧盟都把硅酸锂陶瓷微球作为自己氦冷球床实验包层模块的首选增值材料。

但是硅酸锂在高温条件下对结构材料的腐蚀速率大于其它固态增值材料，如偏硅酸锂(Li₂SiO₃)。另外硅酸锂与空气接触时会与空气中的二氧化碳反应，不利于它的存储和运输。一种有效的方法是在硅酸锂陶瓷微球的表层生成一层起保护作用的外壳，使内部的硅酸锂与结构材料或者空气隔绝开来。为了保证这层保护层与内部的硅酸锂材料有良好的相容性和稳定性，偏硅酸锂与二氧化硅被视为这层保护层的最佳材料。通过在硅酸锂陶瓷微球的表面制备一层偏硅酸锂或者二氧化硅保护层得到硅酸锂梯度陶瓷微球。这种结构的硅酸锂陶瓷微球即能保持硅酸锂原有的优点，又具有与结构材料良好的相容性以及在空气中良好的稳定性的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于硅酸锂的梯度陶瓷微球的制备方法，这种硅酸锂梯度陶瓷微球为非均匀结构，外层是由偏硅酸锂(Li₂SiO₃)或者二氧化硅(SiO₂)组成，内部为硅酸锂。制备过程采用碳酸锂(Li₂CO₃)作为锂源，Li₂SiO₃或SiO₂作为硅源。具体操作包括以下步骤：

(1)将碳酸锂(Li₂CO₃)加入去离子水中，混合均匀，得到第一悬浮液；

(2)向步骤(1)所述第一悬浮液中加入偏硅酸锂(Li₂SiO₃)或二氧化硅(SiO₂)，混合均匀，得到第二悬浮液；

(3)向步骤(2)所述第二悬浮液中加入质量分数10％的丙烯酰胺和1％的N-N-亚甲基双丙烯酰胺作为交联剂，得到胶态溶液，采用胶态成型技术将胶态溶液制备成凝胶球；

(4)用去离子水以预定速率在预定时间内冲洗步骤(3)所述的凝胶球，由外向内溶解掉预定厚度的Li₂CO₃，留下偏硅酸锂或二氧化硅的外层，得到梯度凝胶球；

(5)将所述步骤(4)中的梯度凝胶球完全浸渍与有机溶剂中，交换出凝胶球中的水分；

(6)将所述步骤(5)中去除水分的梯度凝胶球置于干燥箱中，干燥后得到梯度陶瓷微球前驱体；

(7)将所述步骤(6)中的梯度陶瓷微球前驱体置于烧结炉中，在600℃至700℃下进行煅烧和保温，得到预烧梯度陶瓷微球；

(8)将所述步骤(7)中的预烧梯度陶瓷微球在900℃至1050℃下进行烧结，得到硅酸锂梯度陶瓷微球。

所述步骤(2)中，Li₂SiO₃与Li₂CO₃的用量为摩尔比1：1。

所述步骤(2)中，SiO₂与Li₂CO₃的用量为摩尔比1：2。

所述步骤(4)中，所述去离子水的预定速率以1升每分为宜。

所述去离子水的冲洗时间控制着最终陶瓷球外部保护层的厚度，碳酸锂微溶于水，在冲洗时由外向内逐渐溶解，而不溶于水的偏硅酸锂或二氧化硅由于有机交联剂的固定作用保留下来，形成一层由偏硅酸锂或二氧化硅组成的外层；