B二硼化鈦粉體及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用作中子吸收材料的富kiB 二硼化鈦粉體及其制備方法，屬于新材料技術領域。
【背景技術】
[0002]中子吸收材料在核電技術的發(fā)展與應用中占有舉足輕重的地位，其制作的控制棒、安全棒、調(diào)節(jié)棒及屏蔽棒等是核反應堆芯組件中僅次于燃料組件的重要功能原件。
[0003]B元素具有優(yōu)異的中子吸收性，其吸收能譜寬，γ射線二次輻射弱，被廣泛應用于中子吸收領域。目前，核反應堆多用硼、碳化硼以及硼的金屬化合物作為中子吸收材料。
[0004]硼有兩種同位素，即:?和nB。11B不具備中子吸收能力，能吸收中子的kiB在天然硼原料中只占19%左右。因此，kiB的含量直接影響到中子吸收能力的強弱，高豐度的富kiB材料是最為理想的中子吸收劑。
[0005]二硼化鈦是一種性能優(yōu)異的新型材料，具有熔點高(2980°C )、硬度大(莫氏硬度為9，顯微硬度為2.9GPa)、耐磨、耐腐蝕和抗氧化性好等優(yōu)點。高豐度的富wB的二硼化鈦材料能兼具優(yōu)異的機械性能和優(yōu)良的中子吸收性，它較大的提高了核反應堆中子吸收元件的強度，并在中子吸收防彈裝甲的領域中擁有巨大的研發(fā)潛力。
[0006]關于二硼化鈦粉體的合成已有較多的報道。東北大學王兆文等(王兆文，邱竹賢.二硼化鈦粉末的研制[J].輕金屬，1997 (8):28-32.)總結了二硼化鈦粉末的研宄進展，認為:二硼化鈦粉末的制備方法有直接合成法、氣相沉積法、金屬還原法、碳熱還原法、熔鹽電解法和溶劑法等，其中直接合成法和氣相沉積法是兩種獲得較高純度二硼化鈦粉體的有效方法。直接合成法是用金屬鈦和硼直接反應合成二硼化鈦，該法具有反應溫度較低，反應條件易控以及反應產(chǎn)物較純的優(yōu)點，但原料金屬鈦和硼價格昂貴，不適用于工業(yè)批量生產(chǎn)。氣相沉積法可得到純度較高的二硼化鈦，但產(chǎn)物產(chǎn)量低、反應時間長，只適用于少量制取和表面鍍膜使用。
[0007]如何研宄一種成本低、純度高、粒度小、工藝簡單的二硼化鈦粉體制備方法是國內(nèi)外學者的研宄熱點。中國專利文件CN1152091C公開了一種二硼化鈦超細粉末的制備方法:將氫化鈦與單質(zhì)硼按1:2的份量球磨混合后制坯，抽真空后于500?750°C下保溫0.5?4h，再充氬氣至常壓點火自蔓延反應生成二硼化鈦，最后經(jīng)球磨達到符合要求粒度的二硼化鈦粉體。該方法制得的二硼化鈦粉體純度高且成型性能好，但是批量化生產(chǎn)中面臨著工藝繁瑣、反應不充分和粒度不均一的生產(chǎn)缺陷。中國專利文件CN1371863A公開了一種二硼化鈦納米粉的制備方法:將平均粒徑為5 μπι的二硼化鈦粉末以球料比20:1高能球磨40?50h，于濃鹽酸水溶液或濃硝酸、濃磷酸水溶液攪拌30min，靜置1min后水洗2?3次，抽濾、烘干即得所需產(chǎn)品。該方法工藝簡單、粉末均勻，適宜大規(guī)模生產(chǎn)，但其本質(zhì)是二硼化鈦自身的物理粉碎，原料成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種超細富kiB 二硼化鈦粉體及其制備方法。該法利用富kiB碳化硼、二氧化鈦、炭黑和氧化鈣為原料，干混均化后在氬氣氛圍中高溫加熱，生成金黃或灰黑色固體后砂磨細化得到黑色富kiB 二硼化鈦粉體。本發(fā)明工藝簡單，產(chǎn)物穩(wěn)定，得到的粉體純度高，粒徑均勾。
[0009]術語說明
[0010]10B豐度:本發(fā)明中kiB豐度是指終產(chǎn)品二硼化鈦粉體中kiB的相對含量，％的單位是原子數(shù)百分比，直接用“ ％ ”表示；
[0011]本發(fā)明的技術方案為:
[0012]一種超細富kiB 二硼化鈦粉體，由以下質(zhì)量百分比的原料成分經(jīng)混合、煅燒、砂磨、干燥而成:10B豐度為60%?90%的富10B碳化硼15?40wt.%，二氧化鈦45?75wt.%，炭黑5?15wt.%，氧化1? 0.2?Iwt.%，各成分用量之和為100%。
[0013]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述超細富kiB 二硼化鈦粉體，由以下質(zhì)量百分比的原料成分經(jīng)混合、煅燒、砂磨、干燥而成:富10B碳化硼25?35wt.%，二氧化鈦50?65wt.%，炭黑8?15wt.%，氧化1? 0.3?0.7wt.%，各成分用量之和為100% ο
[0014]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述富kiB碳化硼為平均粒徑I?50 μ m的碳化硼微粉；進一步優(yōu)選的，所述富kiB碳化硼為平均粒徑I?35 μm的碳化硼微粉。
[0015]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述二氧化鈦為平均粒徑I?50 μπι的二氧化鈦微粉；進一步優(yōu)選的，所述二氧化鈦為平均粒徑3.5?40 μπι的二氧化鈦微粉。
[0016]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述炭黑為平均粒徑I?50 μ m的炭黑微粉；進一步優(yōu)選的，所述炭黑為平均粒徑5?35 μπι的炭黑微粉。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選的，所述氧化鈣為平均粒徑10?50 μ m的氧化鈣微粉；進一步優(yōu)選的，所述氧化鈣為平均粒徑10?30 μπι的氧化鈣微粉。
[0018]根據(jù)本發(fā)明，上述超細富kiB 二硼化鈦粉體的制備方法，包括步驟如下:
[0019](I)將富kiB碳化硼、二氧化鈦、炭黑和氧化鈣干混30?60min ;
[0020](2)將干混后的原料在氬氣氛圍中加熱至1600?2200°C，保溫時間為20?30h，自然冷卻；
[0021](3)將煅燒后的產(chǎn)物濕法球磨5?7h，將球磨后的漿料過濾、干燥10?30h，即得。
[0022]根據(jù)本發(fā)明方法，優(yōu)選的，步驟⑴中干混使用的儀器為干色混料機，所述的二氧化鈦為銳鈦型二氧化鈦。
[0023]根據(jù)本發(fā)明方法，優(yōu)選的，步驟⑵中煅燒使用的儀器為中頻感應燒結爐，加熱的升溫速率為5?10°C /min。
[0024]根據(jù)本發(fā)明方法，優(yōu)選的，步驟(3)中濕法球磨使用的儀器為砂磨機，使用乙醇為球磨介質(zhì)，氧化鋯球為研磨球石，球料比為3:1 ;干燥使用的儀器為真空干燥箱。
[0025]本發(fā)明的原理:
[0026]T12 (s) +B4C (s) +3C (s) = 2TiB2 (s) +4C0 (g)
[0027]該反應利用二氧化鈦、富kiB碳化硼、炭黑在1600?2200°C溫度下發(fā)生碳熱還原反應制備二硼化鈦，反應物中kiB反應利用率高，生成物只有二硼化鈦和一氧化碳，利于反應進行及后續(xù)的產(chǎn)物分離。
[0028]反應需要較高的溫度以確保反應完全。當溫度低于1600°C時，反應不能充分進行，產(chǎn)物中會含有一定含量的一硼化鈦，影響產(chǎn)物純度，降低二硼化鈦產(chǎn)率。
[0029]氧化鈣在本反應中屬于外加的礦化劑，適量氧化鈣的加入能加深反應程度，加快固相反應速率，促進結晶化合物的形成，并能在一定程度上抑制晶粒的異常長大。
[0030]本發(fā)明的有益效果
[0031]1、本發(fā)明通過碳熱還原法合成富kiB 二硼化鈦粉體，無須凝膠過程，工藝簡單，合成速度快、生產(chǎn)成本低。
[0032]2、本發(fā)明采用碳熱還原法合成富kiB 二硼化鈦粉體，產(chǎn)物為二硼化鈦和一氧化碳。生成的一氧化碳經(jīng)燃燒處理排出體系，沒有雜質(zhì)的引入，產(chǎn)物組分穩(wěn)定，適合大批量生產(chǎn)。
[0033]3、本發(fā)明采用碳熱還原法合成富kiB 二硼化鈦粉體，使用砂磨機濕法球磨細化晶粒，可操作性強，產(chǎn)業(yè)化程度高，所得的二硼化鈦粉體純度高，粒度均勻，平均粒徑0.3?0.8 μ m0
[0034]4、本發(fā)明采用碳熱還原法合成富kiB 二硼化鈦粉體，kiB豐度為60%?90%，具備高的中子吸收性，是用于核反應堆控制棒、調(diào)節(jié)棒、安全棒和屏蔽棒的優(yōu)良材料，同時也是制備中子吸收防彈裝甲的理想原料。
【附圖說明】
[0035]圖1