碳化物增强铝合金防辐射屏蔽材料的制备及性能研究

发布时间：2020-03-30 19:08

【摘要】：B_4C作为一种良好的中子吸收材料,具有材料肿胀率低,氦气释放率低,力学性能好等一系列优点,但由于较高的热压烧结成本及本身较差的韧性而制约了其在屏蔽材料领域的广泛应用,Al-B_4C复合材料在兼顾B_4C材料的高硬度与金属Al良好的韧性的同时还保证了材料低密度的特性,目前该材料已广泛应用于核燃料贮存、中子源防护、核设施退役等许多领域。本文首先针对Al-B_4C复合材料的中子吸收性能展开了研究,运用蒙特卡罗方法,采用MCNP5程序模拟了中子源强度、材料厚度、碳化硼含量等参数对其中子透过率的影响,为材料制备提供了理论依据。然后基于粉末冶金原理,采用球磨混粉-压制成型-真空烧结的工艺方式制备了Al-B_4C复合材料,探讨了相关工艺参数如:烧结温度,烧结时间,压制压力等对其力学性能和显微组织的影响,总结出了最佳材料制备工艺,并对材料的耐腐蚀性展开了研究,结果表明:(1)中子与物质发生弹性散射或者非弹性散射主要是由中子能量决定的,只有中子能量大于非弹性散射的阈值时才会发生非弹性散射。中子透射系数在模拟范围内随B_4C含量的增加基本呈一次线性下降的趋势,且下降趋势逐渐减小,而中子透射系数随材料厚度的变化呈指数下降的趋势,符合传统的计算公式,可见材料厚度是影响中子透射系数的关键因素,中子透射系数随着中子源能量的变化呈现起伏变化趋势,且发生“反转”现象,材料对0.2-0.5Mev和0.8-1.0Mev区间的中子屏蔽和吸收比较敏感,相同硼含量的Al-B_4C复合材料中子屏蔽效果要好于聚乙烯碳化硼材料,当材料厚度,中子能量不变的情况下,Al-B_4C复合材料的中子屏蔽效果远远大于水,铜,混凝土等材料。(2)Al-B_4C复合材料密度随压制力,烧结时间,烧结温度呈现先增加后减少的趋势,其中烧结温度600℃,压制压力140MPa,烧结时间60min制得的试样致密度最高,为87.2%。(3)采用最佳烧结工艺制备了不同碳化硼含量的Al-B_4C复合材料,结果表明:材料致密度随B_4C含量的增加逐渐降低,碳化硼含量为10%时,复合材料致密度最高为88.1%,而显微维氏硬度随着B_4C含量的增加而逐渐增大,依次为100.1,108.5,128.1和142.7HV。(4)Al-B_4C复合材料抗拉强度,屈服强度,断后伸长率随着碳化硼含量的增加呈现逐渐减小趋势,其中碳化硼含量为10%时,材料的抗拉性能最佳,抗拉强度达到223MPa,屈服强度182MPa,断后伸长率为7.5%,复合材料的断裂方式既有B_4C颗粒的解理断裂,也有铝基体的韧性撕裂,以B_4C颗粒的断裂和拔出为主,是韧性断裂与脆性断裂综合作用的结果。(5)在最佳制备工艺下(600℃、140Mpa、60min),Al-B_4C复合材料的物相主要为Al和B_4C,基本无新相生成或新相含量较少,两相间结合较好,颗粒分布均匀,无缺陷相Al_4C_3生成。(6)Al-B_4C复合材料耐腐蚀性比相同条件下纯铝要好,不同碳化硼含量的Al-B_4C复合材料极化曲线十分相似,碳化硼含量在30%以下时,材料的腐蚀速率随着碳化硼含量增加而逐渐减小,且在各自电位区间发生钝化现象,当碳化硼含量为40%时,材料腐蚀速率明显加快,抗腐蚀性明显变差。
【图文】：

真空烧结,工艺路线

图 2.1 真空烧结工艺路线图Figure 2.1 Vacuum sintering process2 球磨工艺及设备球磨是粉末制备的一个关键环节，本实验所用的球磨设备为 QM 系列如图 2.2 所示，分别制备了 90Al-10B4C、80Al-20B4C、70Al-30B4C、C 四种不同成分配比的混合粉末。粉末混合的均匀度很大程度上会影粒分布，从而影响材料的力学性能。该设备操作简便，可进行粉末的干，，使基体 Al 粉末和增强相 B4C 粉末能够充分混合，从而使粉末颗粒进

球磨机,设备参数

球磨介质为无水乙醇，5%硬脂酸锌作为粉末混合过程中的粘结剂。待球磨完成后将混合好的粉末放入电热鼓风干燥箱内（如图 2.3 所示）对粉末进行干燥，球磨工艺及设备参数见下表 2.3。表 2.3 混合粉末制备工艺及设备参数Table 2.3 Mixed powder preparation process and equipment parameters混粉工艺参数球磨设备 QM 系列球磨机球磨介质无水乙醇球磨时间 2h球料比 2：1干燥时间 12h干燥温度 50℃
【学位授予单位】：南华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

【参考文献】