本文選題：氧化釓 + 納米粉體　； 參考：《山東大學》2017年碩士論文

【摘要】：在稀土元素中,釓的平均中子吸收截面為36300 Barn,熱中子能量為1E-4～1E-1 eV時,其中子吸收截面為1×103～8×105Barn。釓通常以氧化釓(Gd2O3)的形式存在,利用Gd2O3良好的中子吸收性和耐高溫性,可將其用作核反應堆中的中子吸收材料。本文采用微波輔助溶液燃燒法合成納米Gd2O3粉體,并研究了Gd2O3陶瓷的制備工藝,采用蒙特卡羅軟件模擬了 Gd2O3陶瓷和丁基橡膠基Gd2O3中子屏蔽材料的中子吸收性能。以微米級Gd2O3為原料,并溶解于硝酸中作為氧化劑,分別以檸檬酸、醋酸和草酸為螯合劑,采用微波輔助溶液燃燒法制備前驅體,鍛燒后制得納米Gd2O3粉體。分別研究了檸檬酸、醋酸、草酸三種螯合劑對微波燃燒過程的影響。結果表明,相對于草酸和醋酸,檸檬酸作為螯合劑時,有機/無機雜化程度高。當Gd3+:檸檬酸摩爾比為6:2時制備的前驅體表現出均勻疏松且多孔的網狀結構,此結構有利于制得分散性良好的納米Gd2O3粉體。煅燒制度對Gd2O3粉體結晶性及粒徑影響的研究表明:800 ℃保溫120 min所得Gd2O3呈現單一立方晶相,結晶性優(yōu)良。Gd2O3粉體顆粒呈球形,平均粒徑約為25nm。分別以Dy2O3、CeO2、Y2O3、YAG作為燒結助劑,在空氣氣氛中燒結制備了 Gd2O3陶瓷。研究了燒結制度(燒結溫度、保溫時間)和燒結助劑對Gd203陶瓷相對密度、力學性能(顯微硬度、彎曲強度、斷裂韌性)、熱學性能(熱導率、熱膨脹系數)的影響。研究結果表明,純Gd2O3陶瓷在1600 ℃、保溫2 h燒結時,其相對密度為93.79%,顯微硬度、彎曲強度、斷裂韌性分別為3.8 GPa、162.50 MPa、3.53 MPa.m1/2。以 Dy2O3、CeO2、Y2O3、YAG 分別作為燒結助劑,都能顯著促進Gd203陶瓷的燒結致密化。當YAG的添加量為3 wt.%時Gd203陶瓷的相對密度、顯微硬度、彎曲強度、斷裂韌性分別可達97.38%、8.9 GPa、300.23 MPa、3.94MPa·m1/2。純Gd203陶瓷的熱導率和平均熱膨脹系數分別為3.01 W/(m-K)、2.52×10-6K-1(40～950℃)。當 YAG 添加量為 9wt.%時,熱導率可達4.61 W/(m·K)。當Y2O3添加量為3 wt.%時,Gd2O3陶瓷平均熱膨脹系數為2.64×10-6K-1。綜合考慮Gd203陶瓷的相對密度、力學性能和熱學性能,添加3 wt.%YAG的Gd2O3陶瓷綜合性能較佳。MCNP模擬結果表明,在熱中子(1E-4～1E-1 eV)輻照下,當Gd2O3陶瓷相對度由90%升高到100%時,吸收體的中子吸收率由86.1%升高至88.8%,控制棒的中子吸收率由50.7%升高至54.2%。以丁基橡膠為基體,聚乙烯為快中子慢化劑,氫氧化鋁為阻燃劑,炭黑為補強劑,分別以納米級Gd2O3和微米級Gd2O3為中子吸收劑,制備了中子屏蔽材料。研究結果表明:Gd2O3粉體粒徑和含量對中子屏蔽材料的力學性能和中子吸收性能有較大影響。Gd2O3含量在0vol.%～3vol.%的范圍內,隨著含量的增加,材料的中子吸收率逐漸增大,添加納米Gd203粉體時中子吸收率可達99.8%。相反,隨著Gd2O3含量的增加,材料的力學性能逐漸下降。在添加納米Gd2O3量為3 vol.%時,屏蔽材料的拉伸強度、斷裂伸長率、撕裂強度分別從0%時的12.45 MPa,670.8%,84.89 kN/m 分別下降至 9.65 MPa,611.5%,69.10 kN/m;添加微米級Gd2O3粉體3 vol.%時分別下降至8.78 MPa,582.1%,66.89 kN/m。綜合考慮力學性能和中子吸收性能,選擇添加1.5 vol.%納米Gd203粉,能制得更好性能的中子屏蔽材料,拉伸強度、斷裂伸長率、撕裂強度分別為10.79 MPa,634.1%,71.23 kN/m。高性能Gd2O3陶瓷以及丁基橡膠基Gd2O3中子屏蔽材料的制備,將拓展Gd2O3在核反應堆、核電站、核燃料處理工廠以及加速器等中子屏蔽方面的應用。
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【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ133.3

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本文編號：1739609