[发明专利]一种硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法、复合材料及其应用

说明书

本发明提供的硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法、复合材料及其应用，涉及新材料领域，其方法包括采用共振球磨法制备混合均匀的硼‑金属微米粉末，再利用超音速低压冷喷涂方法在金属基底上以增材制造的方式喷涂复合涂层制成复合材料。本发明的制备方法简单易操作，成本低，增材制造的方式可以制成各种异形构件；用此种方法制备的复合材料硼‑金属晶相分布均匀，强度高，硼元素含量高，可以应用于乏燃料贮存等各种核防护场合。

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法、复合材料及其应用。

背景技术

随着全球人口不断增长和社会日益繁荣，人类对能源的需求越来越大，而煤炭、石油、天然气等化石能源正在日益枯竭，人类所面临的能源紧缺问题越来越严峻。诸如风能、太阳能、地热能等新型能源具有环境友好型和可再生等优点，但是其开发技术难度大，发展受到地理环境因素影响很大，不能得到广泛普及和应用。核能作为新型、高效和可持续利用的能量，受到越来越多的关注。核反应堆运行一段时间后，为了保证反应堆能高效释放能量，必须卸出乏燃料，乏燃料具有极强的放射性，伴有一定的中子发射率并释放热量。随着技术的成熟和完善，核电站开始在我国不断普及，而随之而来的乏燃料贮存问题将会日益突出，至2020年，我国每年卸下的乏燃料达到了千吨以上，因此，开发一种乏燃料贮存的高性能屏蔽材料就显得十分有必要。此外，航天技术的发展也要求性能良好的屏蔽材料来保障宇航员在太空中的活动，核弹头等军工产品的防护也对屏蔽材料提出了越来越高的要求；还有在放射医疗、食品加工等领域，都迫切需要开发新型高效的屏蔽材料来保障人们的生命健康。因此，开发一种结构性能优异，具有良好中子屏蔽效果的材料，是十分有必要的。

硼元素作为第五号元素，其同位素¹⁰B具有优异的热中子吸收性能，硼及硼化物的复合材料越来越多地被应用于中子屏蔽和核防护领域，利用硼粉或者碳化硼粉末冶金制成板材再轧制成材是目前最常见的应用方式。然而，这种方式制备出的硼复合材料都存在结构简单，不能应用于较为复杂构件表面，并且具有硼元素含量低等缺点；当加入较多硼或者碳化硼粉末时，材料有容易出现内部裂纹或者脆性断裂等现象，实用性较差。

发明内容

本发明目的在于提供一种硼颗粒增强铝基复合材料的制备方法，该制备方法由于采用增材制造方法，可以制成各种异形构件，复合材料中硼元素含量和均匀性提升，复合材料具有优异的中子吸收性能，应用时中子屏蔽效果显著提高。

为达成上述目的，本发明提出如下技术方案：一种硼颗粒增强金属基复合材料的制备方法，包括：

采用共振球磨法制备混合均匀的硼-金属微米粉末；

采用超音速低压冷喷涂法在金属基底上以增材制造的方式喷涂硼-金属微米粉末形成复合涂层，制得硼颗粒增强金属基复合材料。

进一步的，所述共振球磨法的设备工作条件为：共振磨球选择第一直径的氧化锆小球和第二直径的氧化锆小球两种，第一直径小于第二直径，并且第一直径的氧化锆小球和第二直径的氧化锆小球在共振腔中放置的质量比为4:1；所述共振球磨法的共振球磨时间为4～8h。

进一步的，所述超音速低压冷喷涂法设备工作条件为：喷涂温度为500℃，喷涂时间为1～5min，优选为1min。

进一步的，所述复合涂层中硼元素质量分数为33％～35％，硼元素原子数分数为50％～54％。

进一步的，所述第一直径为4mm，第二直径为6mm，所述共振球磨时间为6h。

进一步的，所述金属基底为金属板或金属管基底，金属为铜、铝或银。

本发明的目的之二在于公开一种硼颗粒增强金属基复合材料，该复合材料由上述的制备方法制得。

本发明的目的之三在于公开一种上述硼颗粒增强金属基复合材料在中子防护中的应用。