【摘要】：B_4C作為一種良好的中子吸收材料,具有材料腫脹率低,氦氣釋放率低,力學性能好等一系列優(yōu)點,但由于較高的熱壓燒結成本及本身較差的韌性而制約了其在屏蔽材料領域的廣泛應用,Al-B_4C復合材料在兼顧B_4C材料的高硬度與金屬Al良好的韌性的同時還保證了材料低密度的特性,目前該材料已廣泛應用于核燃料貯存、中子源防護、核設施退役等許多領域。本文首先針對Al-B_4C復合材料的中子吸收性能展開了研究,運用蒙特卡羅方法,采用MCNP5程序模擬了中子源強度、材料厚度、碳化硼含量等參數(shù)對其中子透過率的影響,為材料制備提供了理論依據(jù)。然后基于粉末冶金原理,采用球磨混粉-壓制成型-真空燒結的工藝方式制備了Al-B_4C復合材料,探討了相關工藝參數(shù)如:燒結溫度,燒結時間,壓制壓力等對其力學性能和顯微組織的影響,總結出了最佳材料制備工藝,并對材料的耐腐蝕性展開了研究,結果表明:(1)中子與物質發(fā)生彈性散射或者非彈性散射主要是由中子能量決定的,只有中子能量大于非彈性散射的閾值時才會發(fā)生非彈性散射。中子透射系數(shù)在模擬范圍內隨B_4C含量的增加基本呈一次線性下降的趨勢,且下降趨勢逐漸減小,而中子透射系數(shù)隨材料厚度的變化呈指數(shù)下降的趨勢,符合傳統(tǒng)的計算公式,可見材料厚度是影響中子透射系數(shù)的關鍵因素,中子透射系數(shù)隨著中子源能量的變化呈現(xiàn)起伏變化趨勢,且發(fā)生“反轉”現(xiàn)象,材料對0.2-0.5Mev和0.8-1.0Mev區(qū)間的中子屏蔽和吸收比較敏感,相同硼含量的Al-B_4C復合材料中子屏蔽效果要好于聚乙烯碳化硼材料,當材料厚度,中子能量不變的情況下,Al-B_4C復合材料的中子屏蔽效果遠遠大于水,銅,混凝土等材料。(2)Al-B_4C復合材料密度隨壓制力,燒結時間,燒結溫度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢,其中燒結溫度600℃,壓制壓力140MPa,燒結時間60min制得的試樣致密度最高,為87.2%。(3)采用最佳燒結工藝制備了不同碳化硼含量的Al-B_4C復合材料,結果表明:材料致密度隨B_4C含量的增加逐漸降低,碳化硼含量為10%時,復合材料致密度最高為88.1%,而顯微維氏硬度隨著B_4C含量的增加而逐漸增大,依次為100.1,108.5,128.1和142.7HV。(4)Al-B_4C復合材料抗拉強度,屈服強度,斷后伸長率隨著碳化硼含量的增加呈現(xiàn)逐漸減小趨勢,其中碳化硼含量為10%時,材料的抗拉性能最佳,抗拉強度達到223MPa,屈服強度182MPa,斷后伸長率為7.5%,復合材料的斷裂方式既有B_4C顆粒的解理斷裂,也有鋁基體的韌性撕裂,以B_4C顆粒的斷裂和拔出為主,是韌性斷裂與脆性斷裂綜合作用的結果。(5)在最佳制備工藝下(600℃、140Mpa、60min),Al-B_4C復合材料的物相主要為Al和B_4C,基本無新相生成或新相含量較少,兩相間結合較好,顆粒分布均勻,無缺陷相Al_4C_3生成。(6)Al-B_4C復合材料耐腐蝕性比相同條件下純鋁要好,不同碳化硼含量的Al-B_4C復合材料極化曲線十分相似,碳化硼含量在30%以下時,材料的腐蝕速率隨著碳化硼含量增加而逐漸減小,且在各自電位區(qū)間發(fā)生鈍化現(xiàn)象,當碳化硼含量為40%時,材料腐蝕速率明顯加快,抗腐蝕性明顯變差。
【圖文】：

圖 2.1 真空燒結工藝路線圖Figure 2.1 Vacuum sintering process2 球磨工藝及設備球磨是粉末制備的一個關鍵環(huán)節(jié)，本實驗所用的球磨設備為 QM 系列如圖 2.2 所示，分別制備了 90Al-10B4C、80Al-20B4C、70Al-30B4C、C 四種不同成分配比的混合粉末。粉末混合的均勻度很大程度上會影粒分布，從而影響材料的力學性能。該設備操作簡便，可進行粉末的干，，使基體 Al 粉末和增強相 B4C 粉末能夠充分混合，從而使粉末顆粒進

球磨介質為無水乙醇，5%硬脂酸鋅作為粉末混合過程中的粘結劑。待球磨完成后將混合好的粉末放入電熱鼓風干燥箱內（如圖 2.3 所示）對粉末進行干燥，球磨工藝及設備參數(shù)見下表 2.3。表 2.3 混合粉末制備工藝及設備參數(shù)Table 2.3 Mixed powder preparation process and equipment parameters混粉工藝 參數(shù)球磨設備 QM 系列球磨機球磨介質 無水乙醇球磨時間 2h球料比 2：1干燥時間 12h干燥溫度 50℃
【學位授予單位】：南華大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB34

【參考文獻】

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本文編號：2607933