一种透波耐高温高强度中子屏蔽材料的制备方法及其应用

技术领域

本申请涉及纤维增强陶瓷基复合材料技术的领域，尤其是涉及一种透波耐高温高强度中子屏蔽材料的制备方法及其应用。

背景技术

在原子能利用包括运用中子散射进行测试分析时，均需对中子辐射进行有效的屏蔽防护，或慢化或吸收，一方面是为了保护人体免受中子的辐射损害，另一方面是为了降低杂散中子产生的探测器本底和减少其对仪器的辐照损坏。因此选择屏蔽材料需要综合考虑其屏蔽效率，材料特性包括机械性能等方面。纤维增强陶瓷基复合材料是以纤维或纤维织物为增强体，以陶瓷为基体的复合材料。该复合材料具有较高的力学性能和结构稳定性，在航空航天、武器装备、核工业等领域得到广泛应用。

但由于航空航天、核工业等领域中材料的使用温度通常较高，且在特定区域需要接收或发送电磁波信号、防止中子辐射等原因。故研制和开发透波耐高温高强度中子屏蔽材料对航空航天事业和核工业发展具有重大意义。

发明内容

为了提高中子屏蔽材料的耐高温、高强度的性能，本申请提供一种透波耐高温高强度中子屏蔽材料及其制备方法。

本申请提供的一种透波耐高温高强度中子屏蔽材料的制备方法，采用如下的技术方案：

一种透波耐高温高强度中子屏蔽材料的制备方法，包括以下步骤：

S1.将纤维预制件真空加热至300-600℃，并保温1-3h；自然冷却后，取出备用；

S2.将KH550加入到乙醇水溶液中，在45-80℃下水解4-12h，得到KH550水解溶液；将S1中预处理后的预制件浸入上述KH550水解溶液中，在50-80℃下常压浸渍0.5-8h；随后经烘干得到KH550改性的预制件；

S3.将异丙醇铝和九水硝酸铝溶解在去离子水中，在70-100℃下水浴加热回流8-12h，得到澄清溶胶，随后用聚合物调节溶胶粘度；

S4.将S2中得到的KH550改性的预制件浸入S3得到的澄清溶胶中，充分浸润后取出，静置15-30min；

S5.将浸润之后的预制件缓慢升温至600-700℃，保温30-60min，随后快速升温至900-1200℃，保温30-60min，自然降温后取出，得到界面改性后的预制件；

S6.将界面改性之后的预制件放入模具中，并抽至真空，在真空度≦0.01MPa时，继续保持真空15-40min；随后真空吸入硼吖嗪，浸渍60-180min；

S7.采用高压交联工艺和气氛保护裂解工艺制备复合材料，循环4-7次后，得到透波耐高温高强度中子屏蔽材料。

通过采用上述技术方案，采用氮化硼陶瓷具有非常优异的热稳定性、抗热震性能能和介电性能，并且随温度的增加较为稳定。在高温透波材料领域，与二氧化硅材料相比，氮化硼陶瓷的力学性能、耐高温性能、耐烧蚀性能更佳。同时氮化硼对中子的吸收截面很大，能够有效屏蔽中子辐射。

氧化铝纤维是一种高性能纤维材料，长期使用温度高达1300～1400℃，在高温下仍保持优异的力学性能。

因此，本发明提供一种透波耐高温高强度中子屏蔽材料及其制备方法，以氧化铝纤维预制体为增强体，氮化硼为陶瓷基体，通过前驱体转化法制备透波防辐射耐高温且高强度的陶瓷基复合材料；同时用异丙醇铝和九水硝酸铝在氧化铝纤维表面形成氧化铝颗粒，改善其界面性能，进一步增强复合材料力学性能。

优选的，所述预制件为氧化铝纤维预制件。

优选的，所述预制件纤维直径为3-10μm，纱线线密度为100-200tex。

优选的，S2中所述KH550与乙醇水溶液的质量比为3-10:100。

优选的，S3中所述聚合物为PVA、PEO、PEG、PVP中的一种；调节粘度范围为50-1000cP。

优选的，S5中所述缓慢升温速率为1-10℃/min，快速升温速率为10-20℃/min。

优选的，S7中所述中高压交联工艺参数为：交联压力为11-12MPa，交联介质为N

优选的，S7中所述气氛保护裂解工艺参数为：保护气体为N

本申请提供的一种透波耐高温高强度中子屏蔽材料的制备方法及其应用，采用如下的技术方案：

一种透波耐高温高强度中子屏蔽材料的应用，通过一种透波耐高温高强度中子屏蔽材料的制备方法制备的透波耐高温高强度中子屏蔽材料通过采用上述技术方案，采用一种透波耐高温高强度中子屏蔽材料的制备方法制备的透波耐高温高强度中子屏蔽材料不仅具有耐高温的性能同时还具有优秀的防中子辐射能力。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过采用上述技术方案，采用氧化铝纤维预制件作为纤维增强组分，氮化硼为陶瓷基体，所制备的复合材料在耐高温的同时还具有优秀的防中子辐射能力；

2.通过采用上述技术方案，采用KH550作为粘结剂，异丙醇铝和九水硝酸铝作为铝源，通过高温烧结生成氧化铝颗粒改性氧化铝纤维界面，提高了复合材料整体的拉伸强度、弯曲强度、剪切强度和弯曲强度。

附图说明

图1是实施例5中S5中得到的界面改性后氧化铝三维编织件纤维的扫描电镜图。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例中采用的纤维预制件为氧化铝三维编织物，氧化铝纤维直径为7μm，纱线线密度为195tex；

实施例中的预制件织造工艺包括但不限于机织物、针织物、编织物、非织造织物、连层织物，预制件结构包括但不限于二维纤维布、三维织物、异形一体织物。

实施例

实施例1

S1.将氧化铝三维编织件修剪至模具大小后，放入真空炉中真空加热至300℃，并保温3h,自然冷却后取出备用；

S2.将3g KH550加入100g的体积分数为95％的乙醇水溶液中，配置成质量分数为3wt％的KH550溶液，在60℃下水解6h，得到KH550水解溶液；将S1中预处理后的氧化铝三维编织件浸入上述KH550水解溶液中，在60℃下常压浸渍6h；随后经烘干得到KH550改性的氧化铝三维编织件；

S3.将10g异丙醇铝和10g九水硝酸铝溶解在50g去离子水中，在80℃下水浴加热回流10h，得到澄清溶胶，随后用PVA调节溶胶粘度至50cP；

S4.将S2中KH550改性的氧化铝三维编织件浸入S3中的澄清溶胶中，充分浸润后取出，静置20min；

S5.将浸润之后的氧化铝三维编织件放入马弗炉中以1℃/min速率升温至600℃，保温60min，随后以10℃/min速率升温至1000℃，保温60min；自然降温后取出，得到界面改性后的氧化铝三维编织件；

S6.将界面改性之后的预制件放入模具中，并用真空泵持续抽真空，在真空度≦0.01MPa时继续保持真空泵运转30min；随后真空吸入硼吖嗪，浸渍120min；

S7.采用高压交联工艺和气氛保护裂解工艺制备复合材料，其中高压交联工艺参数为：交联压力为11MPa，交联介质为N

实施例2

S1.将氧化铝三维编织件修剪至模具大小后，放入真空炉中真空加热至400℃，并保温2h；自然冷却后取出备用；

S2.将4g KH550加入100g的体积分数为94％的乙醇水溶液中，配置质量分数为4wt％的KH550溶液，在70℃下水解4h；将S1中预处理后的氧化铝三维编织件浸入上述KH550水解溶液中，在70℃下常压浸渍5h；随后经烘干得到KH550改性的氧化铝三维编织件；

S3.将11g异丙醇铝和11g九水硝酸铝溶解在55g去离子水中，在90℃下水浴加热回流9h，得到澄清溶胶，随后用PVP调节溶胶粘度至200cP；

S4.将S2中KH550改性的氧化铝三维编织件浸入S3中的澄清溶胶中，充分浸润后取出，静置30min；

S5.将浸润之后的氧化铝三维编织件放入马弗炉中以4℃/min速率升温至650℃，保温50min，随后以14℃/min速率升温至900℃，保温50min；自然降温后取出，得到界面改性后的氧化铝三维编织件；

S6.将界面改性之后的预制件放入模具中，并用真空泵持续抽真空，在真空度≦0.01MPa时继续保持真空泵运转25min；随后真空吸入硼吖嗪，浸渍100min；

S7.采用高压交联工艺和气氛保护裂解工艺制备复合材料，其中高压交联工艺参数为：交联压力为11.3MPa，交联介质为N

实施例3

S1.将氧化铝三维编织件修剪至模具大小后，放入真空炉中真空加热至500℃，并保温1h；自然冷却后取出备用；

S2.将6g KH550加入100g的体积分数为93％的乙醇水溶液中，配置质量分数为6wt％的KH550溶液，在50℃下水解7h；将S1中预处理后的氧化铝三维编织件浸入上述KH550水解溶液中，在50℃下常压浸渍8h；随后经烘干得到KH550改性的氧化铝三维编织件；

S3.将12g异丙醇铝和12g九水硝酸铝溶解在60g去离子水中，在70℃下水浴加热回流12h，得到澄清溶胶，随后用PEO调节溶胶粘度至300cP；

S4.将S2中KH550改性的氧化铝三维编织件浸入S3中的澄清溶胶中，充分浸润后取出，静置25min；

S5.将浸润之后的氧化铝三维编织件放入马弗炉中以6℃/min速率升温至650℃，保温40min，随后以16℃/min速率升温至950℃，保温40min；自然降温后取出，得到界面改性后的氧化铝三维编织件；

S6.将界面改性之后的预制件放入模具中，并用真空泵持续抽真空，在真空度≦0.01MPa时继续保持真空泵运转15min；随后真空吸入硼吖嗪，浸渍150min；

S7.采用高压交联工艺和气氛保护裂解工艺制备复合材料，其中高压交联工艺参数为：交联压力为11.2MPa，交联介质为N

实施例4

S1.将氧化铝三维编织件修剪至模具大小后，放入真空炉中真空加热至550℃，并保温1.5h；自然冷却后取出备用；

S2.将7g KH550加入100g的体积分数为92％的乙醇水溶液中，配置质量分数为7wt％的KH550溶液，在45℃下水解8h；将S1中预处理后的氧化铝三维编织件浸入上述KH550水解溶液中，在65℃下常压浸渍6.5h；随后经烘干得到KH550改性的氧化铝三维编织件；

S3.将13g异丙醇铝和13g九水硝酸铝溶解在65g去离子水中，在85℃下水浴加热回流8.5h，得到澄清溶胶，随后用PEG调节溶胶粘度至400cP；

S4.将S2中KH550改性的氧化铝三维编织件浸入S3中的澄清溶胶中，充分浸润后取出，静置15min；

S5.将浸润之后的氧化铝三维编织件放入马弗炉中以8℃/min速率升温至630℃，保温40min，随后以18℃/min速率升温至1100℃，保温40min；自然降温后取出，得到界面改性后的氧化铝三维编织件；

S6.将界面改性之后的预制件放入模具中，并用真空泵持续抽真空，在真空度≦0.01MPa时继续保持真空泵运转35min；随后真空吸入硼吖嗪，浸渍60min；

S7.采用高压交联工艺和气氛保护裂解工艺制备复合材料，其中高压交联工艺参数为：交联压力为11.7MPa，交联介质为N

实施例5

S1.将氧化铝三维编织件修剪至模具大小后，放入真空炉中真空加热至600℃，并保温3h；自然冷却后取出备用；

S2.将10g KH550加入100g的体积分数为95％的乙醇水溶液中，配置质量分数为10wt％的KH550溶液，在80℃下水解12h；将S1中预处理后的氧化铝三维编织件浸入上述KH550水解溶液中，在80℃下常压浸渍0.5h；随后经烘干得到KH550改性的氧化铝三维编织件；

S3.将14g异丙醇铝和14g九水硝酸铝溶解在70g去离子水中，在100℃下水浴加热回流8h，得到澄清溶胶，随后用PVA调节溶胶粘度至1000cP；

S4.将S2中KH550改性的氧化铝三维编织件浸入S3中的澄清溶胶中，充分浸润后取出，静置30min；

S5.将浸润之后的氧化铝三维编织件放入马弗炉中以10℃/min速率升温至700℃，保温30min，随后以20℃/min速率升温至1200℃，保温30min；自然降温后取出，得到界面改性后的氧化铝三维编织件；

S6.将界面改性之后的预制件放入模具中，并用真空泵持续抽真空，在真空度≦0.01MPa时继续保持真空泵运转40min；随后真空吸入硼吖嗪，浸渍180min；

S7.采用高压交联工艺和气氛保护裂解工艺制备复合材料，其中高压交联工艺参数为：交联压力为12MPa，交联介质为N

性能检测试验

1.采用扫描电子显微镜，对实施例5中S5得到的界面改性后的氧化铝三维编织件进行扫描，结果如图1所示。

2.利用GB 1040-79《塑料拉伸试验方法》对实施例1-5得到的中子屏蔽材料的拉伸强度、弯曲强度进行检测，结果如表1所示。

3.采用短路波导法扫描方式对实施例1-5得到的中子屏蔽材料的介电常数进行测试，结果如表1所示。

4.采用300mCi Am-Be中子源对实施例1-5得到的中子屏蔽材料进行辐照，测试其热中子屏蔽率，结果如表1所示。

具体检测结果如下：

表1性能检测结果

由图1的扫描电镜图可以看出，本申请提供的界面改性后氧化铝三维编织件纤维，表面附着大量颗粒物质，说明通过本申请提供氧化铝三维编织件纤维的界面改性方法，可以将氧化铝颗粒有效附着到氧化铝三维编织件纤维的表面，从而有效改善其界面性能。

由表1的检测结果可以看出，通过本申请提供中子屏蔽材料的制备方法和工艺参数制备得到的中子屏蔽材料具有较高的拉伸强度和弯曲强度，说明本申请通过高温烧结生成氧化铝颗粒改性氧化铝纤维界面，有效提高了复合材料整体的力学性能；

由表1的检测结果可以看出，通过本申请提供中子屏蔽材料的制备方法和工艺参数制备得到的中子屏蔽材料的介电常数均不超过4.5；说明本申请提供的复合材料具有较高的透波性能；由表1的检测结果可以看出，通过本申请提供中子屏蔽材料的制备方法和工艺参数制备得到的中子屏蔽材料的热中子屏蔽率较高；说明本申请复合材料具有较强的耐高温能力，同时还具有优秀的防中子辐射能力。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。