【摘要】：核能在世界能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位,在我國(guó)的發(fā)展空間巨大。反應(yīng)堆是核能系統(tǒng)中的核心部分。在核反應(yīng)堆中,核裂變或聚變時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種輻射射線(包括不同能級(jí)的中子、γ射線、二次γ射線、其它帶電粒子、高能射線)。這些射線一方面可對(duì)人體內(nèi)部器官及皮膚造成損傷,另一方面污染空氣、土壤、水源和食物。此外,還會(huì)使結(jié)構(gòu)材料及機(jī)器設(shè)備發(fā)熱、活化,降低其壽命。因此,核反應(yīng)堆的防護(hù)是核能安全問(wèn)題的重中之重。目前,常見的核屏蔽材料多為鉛基、水泥基材料。然而,鉛基材料具有毒性且對(duì)中子屏蔽效果不佳；水泥基材料則重量、體積龐大不易移動(dòng),且機(jī)械強(qiáng)度低。金屬基復(fù)合材料因其優(yōu)異的綜合性能被認(rèn)為是21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ母咝阅懿牧现�。而硼�?duì)中子吸收能力強(qiáng),被廣泛應(yīng)用于核屏蔽、航空航天、汽車等領(lǐng)域。但出于技術(shù)保密等原因,國(guó)外關(guān)于含硼金屬中子屏蔽材料的制備工藝方面報(bào)道得很少,而我國(guó)在中子屏蔽材料的生產(chǎn)技術(shù)上還不夠成熟。基于對(duì)核屏蔽性能和力學(xué)性能的綜合考慮,本研究采用金屬基中子吸收材料的設(shè)計(jì)思路。參考美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)和美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)(EPRI)制定的乏燃料中子吸收材料應(yīng)用手冊(cè),研究原料選用’0B作為中子吸收劑核素,304不銹鋼和純鋁為存儲(chǔ)吸收劑核素的基體,分別制備三種核屏蔽用高硼金屬?gòu)?fù)合材料,并對(duì)其微觀組織、力學(xué)和屏蔽性能(108面密度)進(jìn)行分析。其中,包覆鑄造+熱成形法制備的高硼304不銹鋼層狀復(fù)合板可用于乏燃料貯存架、運(yùn)輸容器,攪拌鑄造+熱軋變形方法以及粉末冶金+熱軋變形方法制備的鋁基復(fù)合材料可用于乏燃料貯存格架空腔內(nèi)部隔板和民用防輻射墻體。主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：(1)在真空條件下熔煉硼含量約為2.25wt%,且具有不同含鈦量(0,2.2,5.7,7.9wt%)的高硼不銹鋼芯料,并在芯層外復(fù)合澆鑄不銹鋼覆層,經(jīng)過(guò)1100-900℃的熱鍛變形,多道次熱軋,在1100℃固溶處理2-5小時(shí)后水冷,得到組織和性能不同的層狀高硼不銹鋼復(fù)合板。研究表明,不含Ti的試樣中硼化物為長(zhǎng)條狀(Fe,Cr)2B,隨著含Ti量的增加,長(zhǎng)條狀硼化物粗化,數(shù)量減少直到消失,取而代之的是深色的TiB2,由小塊發(fā)展成花瓣?duì)畈⒉粩嘣龆?分布在大塊硼化物或花瓣?duì)钆鸹锔浇�。�?jīng)過(guò)熱軋成型,芯層與覆層形成良好的冶金結(jié)合,鑄造缺陷(如疏松、縮孔等)被消除。且經(jīng)過(guò)高溫下兩側(cè)金屬相互擠壓,原子間形成化學(xué)結(jié)合,通過(guò)擴(kuò)散形成存在濃度梯度的過(guò)渡區(qū)。與熱軋后相比,經(jīng)固溶處理后高硼不銹鋼復(fù)合板的強(qiáng)度降低,但延伸率大大提高。1100℃固溶處理4h,隨著含Ti量的增大,抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度先降低后升高,延伸率則先升高后降低。含Ti量為5.7wt%的試樣經(jīng)在1100℃固溶處理4h后,抗拉強(qiáng)度526.88MPa,屈服強(qiáng)度219.36 MPa,延伸率29%,各項(xiàng)性能均達(dá)到美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)中30487的水平。(2)采用攪拌鑄造法制備出含硼量為2.0wt%的硼鋁合金。鑄錠在450-500℃進(jìn)行熱軋,隨后450℃分別固溶處理2,4小時(shí)。微觀組織觀察發(fā)現(xiàn),在熔鑄過(guò)程中A1與B原位合成大寬高比的AlB2層片,且AlB2在基體中分布均勻。結(jié)果表明,鑄態(tài)鋁硼合金經(jīng)熱軋后,力學(xué)性能得到改善,抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均有所提高。試樣450℃固溶處理2h后的拉伸性能與Eagle Picher公司生產(chǎn)的6351合金(T5熱處理)以及6351+Boron進(jìn)行比較,拉伸強(qiáng)度偏低,但伸長(zhǎng)率提高。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn),本實(shí)驗(yàn)制備鋁硼合金的B-10面密度相當(dāng)于用富集硼制備的6351鋁硼合金的五分之一。但從性價(jià)比上,具有一定優(yōu)勢(shì)。(3)通過(guò)粉末冶金(機(jī)械合金化+放電等離子燒結(jié))、熱軋成形和固溶處理相結(jié)合的方法原位合成A1B2顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料。原料為氣霧化鋁粉和晶態(tài)硼粉(硼粉的含量分別為7,12wt%)。通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)觀察可以發(fā)現(xiàn)相同機(jī)械球磨時(shí)間下(5分鐘),Al-7wt%B中增強(qiáng)相的數(shù)量和分布優(yōu)于Al-12wt%B復(fù)合材料。熱軋有利于提高燒結(jié)試樣致密度，，減輕硼粉團(tuán)聚。拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著熱軋和固溶處理,試樣的拉伸強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度普遍提高。對(duì)鋁基復(fù)合材料的10B面密度進(jìn)行了理論計(jì)算,并與BORALTM進(jìn)行比較,可知厚度近似時(shí),熱軋Al-7wt%B和Al-12wt%B鋁基復(fù)合材料10B面密度均可達(dá)到BORALTM水平。
【圖文】：

己得到成功應(yīng)用。ＩＴＥ民（國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆）項(xiàng)目中，３０４Ｂ４和３０４Ｂ７商邐｜逡逑棚不巧鋼用于真空容器內(nèi)墻防護(hù)罩（Ｗ－ＩＷＳ）內(nèi)，見圖２－６。為了在極端工逡逑況下保持機(jī)械穩(wěn)定性，真空容器由兩層墻構(gòu)成，內(nèi)殼與外殼由肋狀結(jié)構(gòu)連接。逡逑兩層之間填充內(nèi)墻防護(hù)塊，起到屏蔽中子的作用。其中３０４Ｂ４及３０４Ｂ７防護(hù)逡逑塊填充占兩層之間６０％的體積。每塊由鋼板和墊片堆疊而成，防護(hù)塊總用量逡逑達(dá)１７００多噸１６８１。逡逑克里ａ持抑邐呆固巧j逡逑圖２－６真空容器內(nèi)墻防護(hù)ｇ邋（Ｗ－ＩＷＳ）逡逑

Ｐ６／ｍｍｍ）。其晶格參數(shù)為３．０３０３Ｘ３．２２９５Ａ，烙點(diǎn)為２９８０°Ｃ，顯微硬度為逡逑２．９Ｇ化。它是Ｔｉ－Ｂ系統(tǒng)中最穩(wěn)定的化合頓，Ｗ共價(jià)鍵形式結(jié)合ｆｓｓｉ。Ｔ舊２的晶逡逑體結(jié)構(gòu)如圖４－９所示，可知鐵原子面與棚原子面交替出現(xiàn)。其晶體結(jié)構(gòu)與石逡逑墨相似，Ｔ舊２相硬度高、脆性大，導(dǎo)電性能良好，彈性模量較高Ｗ１，了舊２晶邐＾逡逑體結(jié)構(gòu)與Ｆｅ巧和（Ｆｅ，邋Ｃｒ）巧相比具有明顯的區(qū)別，Ｔ舊２是片層狀的結(jié)構(gòu)，逡逑這使其在生長(zhǎng)時(shí)在層面方向具有擇優(yōu)取向，這也在芯層鑄態(tài)組織中觀察到的逡逑花瓣?duì)睿裕椋拢蚕嗟玫接∽C。了舊２層面和柱面方向因?yàn)槌涉I情況不同，表現(xiàn)出不逡逑同性能，如硬度、強(qiáng)度的各向異性等。高文理等人ＩＷ研究了邋＾８２晶體的微觀逡逑結(jié)構(gòu)，結(jié)果發(fā)觀，棒狀的１＇巧２—般１＾垂直交叉的十字或者數(shù)個(gè)十字構(gòu)成的福逡逑射狀形式，存在于基體中，其顯露面為柱面｛ｌｏＴｏ｝和層面｛０００１｝。逡逑圖４＞９Ｔ舊２的晶體結(jié)構(gòu)逡逑ｆ逡逑此外
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TL752.3;TG335.11

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 陳守東;陳敬超;;鉛基核屏蔽材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展前景展望[J];材料導(dǎo)報(bào);2011年13期

相關(guān)會(huì)議論文 前3條

1 羅征;周新貴;于海蛟;趙爽;黃澤蘭;羊建高;;核屏蔽材料研究與進(jìn)展[A];第十二屆反應(yīng)堆數(shù)值計(jì)算與粒子輸運(yùn)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2008年

2 梁燕云;;計(jì)算NMR核屏蔽參數(shù)INDO/FPT軟件的移植與改進(jìn)[A];第六屆全國(guó)波譜學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];1990年

3 梁燕云;;計(jì)算NMR核屏蔽參數(shù)INDO/S—SOS軟件的移植與改進(jìn)[A];第五屆全國(guó)波譜學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];1988年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 元琳琳;核屏蔽用高硼金屬?gòu)?fù)合材料的制備技術(shù)基礎(chǔ)研究[D];北京科技大學(xué);2016年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 白苗;Pb-B核屏蔽材料在特定環(huán)境中的腐蝕行為研究[D];昆明理工大學(xué);2014年

本文編號(hào)：2543626