【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(xué)性能好等一系列優(yōu)點(diǎn),但由于較高的熱壓燒結(jié)成本及本身較差的韌性而制約了其在屏蔽材料領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,Al-B_4C復(fù)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(shí)還保證了材料低密度的特性,目前該材料已廣泛應(yīng)用于核燃料貯存、中子源防護(hù)、核設(shè)施退役等許多領(lǐng)域。本文首先針對(duì)Al-B_4C復(fù)合材料的中子吸收性能展開(kāi)了研究,運(yùn)用蒙特卡羅方法,采用MCNP5程序模擬了中子源強(qiáng)度、材料厚度、碳化硼含量等參數(shù)對(duì)其中子透過(guò)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(jié)的工藝方式制備了Al-B_4C復(fù)合材料,探討了相關(guān)工藝參數(shù)如:燒結(jié)溫度,燒結(jié)時(shí)間,壓制壓力等對(duì)其力學(xué)性能和顯微組織的影響,總結(jié)出了最佳材料制備工藝,并對(duì)材料的耐腐蝕性展開(kāi)了研究,結(jié)果表明:(1)中子與物質(zhì)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(shí)才會(huì)發(fā)生非彈性散射。中子透射系數(shù)在模擬范圍內(nèi)隨B_4C含量的增加基本呈一次線性下降的趨勢(shì),且下降趨勢(shì)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(shì),符合傳統(tǒng)的計(jì)算公式,可見(jiàn)材料厚度是影響中子透射系數(shù)的關(guān)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(shì),且發(fā)生“反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象,材料對(duì)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(fù)合材料中子屏蔽效果要好于聚乙烯碳化硼材料,當(dāng)材料厚度,中子能量不變的情況下,Al-B_4C復(fù)合材料的中子屏蔽效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水,銅,混凝土等材料。(2)Al-B_4C復(fù)合材料密度隨壓制力,燒結(jié)時(shí)間,燒結(jié)溫度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì),其中燒結(jié)溫度600℃,壓制壓力140MPa,燒結(jié)時(shí)間60min制得的試樣致密度最高,為87.2%。(3)采用最佳燒結(jié)工藝制備了不同碳化硼含量的Al-B_4C復(fù)合材料,結(jié)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(shí),復(fù)合材料致密度最高為88.1%,而顯微維氏硬度隨著B(niǎo)_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(fù)合材料抗拉強(qiáng)度,屈服強(qiáng)度,斷后伸長(zhǎng)率隨著碳化硼含量的增加呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì),其中碳化硼含量為10%時(shí),材料的抗拉性能最佳,抗拉強(qiáng)度達(dá)到223MPa,屈服強(qiáng)度182MPa,斷后伸長(zhǎng)率為7.5%,復(fù)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(jié)果。(5)在最佳制備工藝下(600℃、140Mpa、60min),Al-B_4C復(fù)合材料的物相主要為Al和B_4C,基本無(wú)新相生成或新相含量較少,兩相間結(jié)合較好,顆粒分布均勻,無(wú)缺陷相Al_4C_3生成。(6)Al-B_4C復(fù)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(fù)合材料極化曲線十分相似,碳化硼含量在30%以下時(shí),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(dāng)碳化硼含量為40%時(shí),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(jié)工藝路線圖Figure 2.1 Vacuum sintering process2 球磨工藝及設(shè)備球磨是粉末制備的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本實(shí)驗(yàn)所用的球磨設(shè)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(huì)影粒分布，從而影響材料的力學(xué)性能。該設(shè)備操作簡(jiǎn)便，可進(jìn)行粉末的干，，使基體 Al 粉末和增強(qiáng)相 B4C 粉末能夠充分混合，從而使粉末顆粒進(jìn)

球磨介質(zhì)為無(wú)水乙醇，5%硬脂酸鋅作為粉末混合過(guò)程中的粘結(jié)劑。待球磨完成后將混合好的粉末放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)（如圖 2.3 所示）對(duì)粉末進(jìn)行干燥，球磨工藝及設(shè)備參數(shù)見(jiàn)下表 2.3。表 2.3 混合粉末制備工藝及設(shè)備參數(shù)Table 2.3 Mixed powder preparation process and equipment parameters混粉工藝 參數(shù)球磨設(shè)備 QM 系列球磨機(jī)球磨介質(zhì) 無(wú)水乙醇球磨時(shí)間 2h球料比 2：1干燥時(shí)間 12h干燥溫度 50℃
【學(xué)位授予單位】：南華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB34

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2607933