钨硼铝复合材料的SPS法制备及性能研究

发布时间：2020-06-13 02:41

【摘要】：核能是一种结构比较稳定、密度能量很高的清洁型能源,发展核能作为国家战略性举措的同时,还必须对核反应过程中产生的中子和γ射线进行有效防护并使得防护体具有一定的力学承载能力,因此对核屏蔽材料的研究至关重要。本课题选用低密度,力学性能和耐热性良好的铝合金作为基体,添加可吸收中子的硼元素和可屏蔽γ射线的钨元素作为功能粒子,采用机械球磨法将铝粉、钨粉和硼粉混合均匀,使用放电等离子烧结工艺制备出钨硼铝复合材料;通过粒度分析仪,扫描电镜等手段研究复合粉末的形成过程,确定球磨参数;借助压头位移曲线,致密度和XRD分析材料的烧结质量和物相生成,优化烧结参数;对烧结体分别进行退火处理和固溶时效处理,测试其拉伸性能和三点弯曲性能,分析断口和界面状态;最终进行γ射线屏蔽测试和中子屏蔽测试,分析钨硼铝复合材料的屏蔽机理以及钨元素粒径和体积分数对复合材料屏蔽性能的影响。研究结果表明,随着球磨时间的延长,混合粉末粒径逐渐增长,钨粉和硼粉分布更为均匀,钨颗粒逐步砸入铝颗粒表面和内部,增大了与基体的接触面积。球磨3h后铝颗粒团聚成大颗粒发生冷焊,不利于后续的烧结,研究发现添加1%的硬脂酸可以有效抑制粉末团聚,因而在球磨3h时及时加入硬脂酸,继续球磨2h,形成复合粉末聚合体;使用放电等离子烧结法对球磨得到的复合粉末进行烧结,根据基体熔点确定烧结温度570℃,压力45MPa,分别保温10min、20min和30min,相同配比下保温20min得到的钨硼铝复合材料性能最优,致密度为99%,在扫描电镜下观察到烧结体的功能粒子分布均匀,与基体结合紧密,无明显孔洞。采用优化后的制备工艺分别制备了10%,20%和30%钨体积分数的钨硼铝复合材料,随着钨体积分数的增加,拉伸强度先增加后降低,而延伸率逐渐减小,Al-10W-3B复合材料的塑性相对较好,延伸率为9.5%,Al-20W-3B复合材料的强度高,拉伸强度350MPa,弯曲强度632MPa,呈韧性断裂,Al-30W-3B复合材料中钨含量过高,烧结效果差,呈脆性断裂。退火和固溶时效的热处理工艺分别对烧结体的塑性和强度有所改善。对钨硼铝复合材料进行界面观察,铝基体和钨颗粒之间的界面生成了Al12W相,为III型界面。在γ射线屏蔽性能方面,钨硼铝复合材料中钨体积分数由10%增加到30%时,线性吸收系数μ值从0.208 cm-1增大到0.322 cm-1,半衰减厚度减小了1.175cm,材料对γ射线吸收能力得到提高;1μm,3~5μm和10μm的不同钨粒径下制备得到的钨硼铝复合材料在1.5cm试样厚度范围内会使得钨硼铝复合材料的γ射线屏蔽性能有所差异,减小钨颗粒粒径对屏蔽性能有一定程度的改善,试样厚度大于1.5cm,钨粒径因素影响较小。在中子屏蔽性能方面,实验结果表明钨硼铝复合材料的中子透射率与试样厚度服从指数变化规律,试样厚度2.3cm时,复合材料对中子的吸收率均达到99%,这与利用10B面密度计算出要达到99%中子吸收率的试样厚度为2.6cm相比,误差仅为0.3cm。
【图文】：

γ射线,相互作用,形式,射线

1.2.1.1 γ 射线与物质的相互作用γ 射线第一次发现是 1900 年在进行 U 和 Ra 的康普顿散射实验，γ 射线与物质的相互作用形式如图1-1所示，主要有光电效应，康普顿散射和电子对效应三种[3]。图 1-1 γ 射线与物质的相互作用形式[3]a)光电效应；b)康普顿效应；c)电子对效应(1)光电效应入射 γ 射线和轨道电子撞击时，γ 射线光子把自身能量全部传递给该电子随之消失（这种情况多发生于原子的内层电子），电子获得能量脱离原子成为自由电子（称为光电子）。发生光电效应时，入射 γ 射线光子能量 hv 和光电子的动能 Ee之间关系见式(1-1)[4]，电子结合能的大小由原子序数和电子所处的壳层决定。hv=Ee+Bi（1-1）式中 hv 入射光子能量；Ee光电子的动能；Bi原子第 i 层电子的结合能。(2)康普顿效应入射 γ 射线与原子内轨道电子发生相互作用时，光子能量发生改变，运动方向也发生改变?

曲线图,相互作用,强弱,衰减定律

γ射线三种相互作用强弱曲线图
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB33

【参考文献】