鎢硼鋁復合材料的SPS法制備及性能研究

發(fā)布時間：2020-06-13 02:41

【摘要】：核能是一種結構比較穩(wěn)定、密度能量很高的清潔型能源,發(fā)展核能作為國家戰(zhàn)略性舉措的同時,還必須對核反應過程中產(chǎn)生的中子和γ射線進行有效防護并使得防護體具有一定的力學承載能力,因此對核屏蔽材料的研究至關重要。本課題選用低密度,力學性能和耐熱性良好的鋁合金作為基體,添加可吸收中子的硼元素和可屏蔽γ射線的鎢元素作為功能粒子,采用機械球磨法將鋁粉、鎢粉和硼粉混合均勻,使用放電等離子燒結工藝制備出鎢硼鋁復合材料;通過粒度分析儀,掃描電鏡等手段研究復合粉末的形成過程,確定球磨參數(shù);借助壓頭位移曲線,致密度和XRD分析材料的燒結質(zhì)量和物相生成,優(yōu)化燒結參數(shù);對燒結體分別進行退火處理和固溶時效處理,測試其拉伸性能和三點彎曲性能,分析斷口和界面狀態(tài);最終進行γ射線屏蔽測試和中子屏蔽測試,分析鎢硼鋁復合材料的屏蔽機理以及鎢元素粒徑和體積分數(shù)對復合材料屏蔽性能的影響。研究結果表明,隨著球磨時間的延長,混合粉末粒徑逐漸增長,鎢粉和硼粉分布更為均勻,鎢顆粒逐步砸入鋁顆粒表面和內(nèi)部,增大了與基體的接觸面積。球磨3h后鋁顆粒團聚成大顆粒發(fā)生冷焊,不利于后續(xù)的燒結,研究發(fā)現(xiàn)添加1%的硬脂酸可以有效抑制粉末團聚,因而在球磨3h時及時加入硬脂酸,繼續(xù)球磨2h,形成復合粉末聚合體;使用放電等離子燒結法對球磨得到的復合粉末進行燒結,根據(jù)基體熔點確定燒結溫度570℃,壓力45MPa,分別保溫10min、20min和30min,相同配比下保溫20min得到的鎢硼鋁復合材料性能最優(yōu),致密度為99%,在掃描電鏡下觀察到燒結體的功能粒子分布均勻,與基體結合緊密,無明顯孔洞。采用優(yōu)化后的制備工藝分別制備了10%,20%和30%鎢體積分數(shù)的鎢硼鋁復合材料,隨著鎢體積分數(shù)的增加,拉伸強度先增加后降低,而延伸率逐漸減小,Al-10W-3B復合材料的塑性相對較好,延伸率為9.5%,Al-20W-3B復合材料的強度高,拉伸強度350MPa,彎曲強度632MPa,呈韌性斷裂,Al-30W-3B復合材料中鎢含量過高,燒結效果差,呈脆性斷裂。退火和固溶時效的熱處理工藝分別對燒結體的塑性和強度有所改善。對鎢硼鋁復合材料進行界面觀察,鋁基體和鎢顆粒之間的界面生成了Al12W相,為III型界面。在γ射線屏蔽性能方面,鎢硼鋁復合材料中鎢體積分數(shù)由10%增加到30%時,線性吸收系數(shù)μ值從0.208 cm-1增大到0.322 cm-1,半衰減厚度減小了1.175cm,材料對γ射線吸收能力得到提高;1μm,3~5μm和10μm的不同鎢粒徑下制備得到的鎢硼鋁復合材料在1.5cm試樣厚度范圍內(nèi)會使得鎢硼鋁復合材料的γ射線屏蔽性能有所差異,減小鎢顆粒粒徑對屏蔽性能有一定程度的改善,試樣厚度大于1.5cm,鎢粒徑因素影響較小。在中子屏蔽性能方面,實驗結果表明鎢硼鋁復合材料的中子透射率與試樣厚度服從指數(shù)變化規(guī)律,試樣厚度2.3cm時,復合材料對中子的吸收率均達到99%,這與利用10B面密度計算出要達到99%中子吸收率的試樣厚度為2.6cm相比,誤差僅為0.3cm。
【圖文】：

γ射線,相互作用,形式,射線

1.2.1.1 γ 射線與物質(zhì)的相互作用γ 射線第一次發(fā)現(xiàn)是 1900 年在進行 U 和 Ra 的康普頓散射實驗，γ 射線與物質(zhì)的相互作用形式如圖1-1所示，主要有光電效應，康普頓散射和電子對效應三種[3]。圖 1-1 γ 射線與物質(zhì)的相互作用形式[3]a)光電效應；b)康普頓效應；c)電子對效應(1)光電效應入射 γ 射線和軌道電子撞擊時，γ 射線光子把自身能量全部傳遞給該電子隨之消失（這種情況多發(fā)生于原子的內(nèi)層電子），電子獲得能量脫離原子成為自由電子（稱為光電子）。發(fā)生光電效應時，入射 γ 射線光子能量 hv 和光電子的動能 Ee之間關系見式(1-1)[4]，電子結合能的大小由原子序數(shù)和電子所處的殼層決定。hv=Ee+Bi（1-1）式中 hv 入射光子能量；Ee光電子的動能；Bi原子第 i 層電子的結合能。(2)康普頓效應入射 γ 射線與原子內(nèi)軌道電子發(fā)生相互作用時，光子能量發(fā)生改變，運動方向也發(fā)生改變?

曲線圖,相互作用,強弱,衰減定律