[发明专利]一种碳化硼空心微球的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳化硼空心微球的制备方法。

背景技术

与核裂变依靠原子核分裂释放能量不同，聚变由较轻原子核聚合成较重原子核释放能量，常见的是由氢的同位素氘与氚聚合成氦释放能量。与核裂变相比，核聚变能储量更丰富，几乎用之不竭，且干净安全。当星体内部存在巨大压力，核聚变能在约1000万摄氏度的高温下完成，然而，在压力小很多的地球，核聚变所需温度达到1亿摄氏度以上，美国“国家点火装置”通过汇聚大功率激光束实现这一高温。

激光驱动惯性约束点火是实现核聚变的最有效途径之一，靶丸的设计与制备技术一直是激光惯性约束聚变研究中的核心技术。碳化硼陶瓷具有高熔点、低密度、高弹性模量、化学性质稳定、优异的热电性能、良好的力学稳定性、很低的热膨胀系数以及一定的半导体特性等一系列优异性能，在核领域具有广泛的应用前景。一维和二维的LASNEX模拟计算表明，在一定条件下，以纯碳化硼空心微球为燃料容器的低温靶十分有利于内爆点火实验。

碳化硼空心微球作为核聚变对靶丸使用还停留在理论模拟计算阶段，主要原因在于缺乏合适的碳化硼空心微球的制备工艺。碳化硼空心微球要作为点火靶丸使用，要求十分苛刻，直径需要达到毫米级，壁厚可控，表面光洁度、壁厚均匀性和球形度均要较好。

碳化硼陶瓷的制备方法较多，如热压烧结法、放电等离子烧结法、反应烧结法和先驱体转化法等，但目前几乎所有的资料均是用于制备陶瓷微粉或陶瓷块体，几乎没有制备碳化硼空心微球的报道。先驱体转化法具有成型方便和烧结温度低等特点，是适合制备碳化硼陶瓷的理想制备方法。国外关于碳化硼陶瓷先驱体的报道比较多，主要是用于做纳米材料，而国内则报道较少。

空心微球是一种典型的大孔材料。大孔材料可以通过多种制备方法得到，如发泡法、挤压法、取代法、模板法、乳液法等。其中，发泡、挤压和取代法是在目标多孔材料的原材料中填加发泡剂或通过减压等使体系中产生大量气泡以达到成孔的目的，这些方法制备的多孔材料孔径一般都不均匀，孔的形状也不易控制。模板法是目前有序大孔材料制备领域里最为成熟的一种技术，目前通过此法制备的有序大孔材料主要有大孔氧化硅、金属氧化物、碳、金属及聚合物等，其主要问题是所制备的孔径一般为从几十纳米到几百纳米不等，很难制备出亚毫米或毫米级的大孔材料。乳液法是目前唯一可以制备孔径均匀的亚毫米级和毫米级空心微球的方法，但只能制备聚合物空心微球，目前空心塑料微球靶丸的制备主要采用这种方法，目前已实现了直径达2mm以上的大直径PS空心微球的制备，基本上解决了乳液微封装技术制备空心塑料微球工艺中的不足之处，如微球表面粗糙度、球壁内微泡结构等。

分析国内外研究现状可知，结合先驱体转化法和乳液法的优势，是制备碳化硼空心微球最有前途的方法。目前，将先驱体转化法和乳液法相结合制备碳化硼空心微球的研究还未见文献报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种直径能超过1毫米，球形度和表面光洁度较好，适合作为核聚变靶丸应用的碳化硼空心微球的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种碳化硼空心微球的制备方法，包括以下步骤：

(1)将聚碳硼烷先驱体溶解于四氢呋喃中，两者质量比为7～12:100；然后在溶液中加入支持高分子，支持高分子与先驱体质量比为1～3:1，将配置好的溶液记为A相；

(2)选用硅油作为B相；

(3)将A相置于带搅拌的三口烧瓶中，边搅拌边将B相缓慢滴加到三口烧瓶中，B相和A相的体积比为1:1～5，滴加速度控制在5～20mL/min，搅拌速率为30～300r/min，将配置好的乳液记为A/B相；

(4)另外取B相置于大烧杯中，B相与A/B相体积比为100～300:1，加热至90～180℃，缓慢滴加A/B相，滴加速度控制在1～5mL/min，滴加完成后静置0.5-6h，将底部形成的B/A/B相小球取出；

(5)将取出的小球转移至室温硅油中冷却定型，时间为0.5-3h；

(6)将定型好的小球置于二甲苯中浸泡24～72h整形，脱除残留四氢呋喃及微球内硅油，得到粒径较均一的聚碳硼烷空心微球；

(7)将聚碳硼烷空心微球置于管式炉中，在高纯氮气保护下，升温至900～1200℃并保温1～2h，得到碳化硼空心微球。

进一步，步骤(1)中，所述支持高分子为聚甲基丙烯酸甲酯或聚丙烯腈，支持高分子与先驱体质量比为1～2:1。