富10B碳化硼陶瓷无压烧结致密化和微观结构研究

碳化硼陶瓷是国际上唯一普遍采用的快中子反应堆吸收材料。作为中子吸收材料，碳化硼陶瓷应具备高强度、高热导率和高中子吸收特性。碳化硼陶瓷的烧结致密化行为和微观结构对其中子吸收效率和使用寿命有极大影响。本课题以10B丰度高的碳化硼粉体为原料，以稀土氧化物等为烧结助剂无压烧结制备富10B碳化硼陶瓷中子吸收材料。研究稀土氧化物等烧结助剂和无压烧结工艺对富10B碳化硼致密化过程和微观结构的影响；探讨致密化过程和程度对中子吸收性的影响，研究微观结构与使用寿命的关系；分析研究富10B碳化硼无压烧结机理；解决无压烧结过程中组成和致密化与中子吸收性的相关性，以及晶粒尺寸和孔隙率与辐照"肿胀"的关系等关键科学问题，为高性能碳化硼陶瓷中子吸收材料的制备和性能的稳定化控制奠定科学基础。本课题的研究成果可为新型快堆中子吸收材料的开发提供科学依据，并将促进我国快堆中子吸收材料和快中子反应堆的发展。

本课题的过程研究了富10B碳化硼陶瓷的无压烧结致密化过程和微观结构，探讨了富10B碳化硼陶瓷的无压烧结机理以及烧结条件对致密化过程和中子吸收性能的相关性规律，解决了碳化硼陶瓷无压烧结制备中的关键科学问题。经过大量的性能测试与模拟，确定了影响富集10B碳化硼陶瓷中子吸收率的因素。同时，对B4C陶瓷10B丰度、体积密度及尺寸与中子吸收率的关系有了深入了解，这对制备特定用途的中子吸收材料具有极大的指导作用。.　　在研究过程中，分别选用不同的烧结助剂，采用无压烧结工艺制备了性能优异的碳化硼中子吸收材料。研究了烧结助剂种类、添加量和制备工艺对碳化硼陶瓷致密度和力学性能的影响，分析了碳化硼陶瓷的无压烧结致密化及微观结构演变过程，初步探讨了无压烧结机理。.　　以酚醛树脂为烧结助剂无压烧结制备了碳化硼陶瓷，研究了酚醛树脂添加量对碳化硼陶瓷微观结构和力学性能的影响。研究结果表明，随着酚醛树脂添加量的增加，材料的致密度和力学性能提高，当酚醛树脂添加量为18 wt.%时，在2160 ℃无压烧结可以获得96.2%的相对密度，弯曲强度达234 MPa。然而，继续增加酚醛树脂添加量，材料的致密度和力学性能反而呈下降趋势。.　　将某些中子吸收截面大的稀土添加到碳化硼中，一方面可以促进碳化硼陶瓷的烧结，降低烧结温度；另一方面可以增强材料的中子吸收性。分别以Dy2O3、Eu2O3和Sm2O3与酚醛树脂作为复合烧结助剂，制备了高致密度的碳化硼陶瓷，研究了稀土含量对碳化硼陶瓷致密度、力学性能和微观结构的影响。添加4 wt.% Dy2O3的试样弯曲强度最高可达358 MPa，维氏硬度达26.2 GPa。添加稀土后，试样中子吸收率大于98%，优于未添加稀土的碳化硼试样。添加氧化镝与酚醛树脂的试样在1950℃时相对密度就能达到93.0%，晶粒尺寸小于15 μm，稀土的添加促进了碳原子与硼原子之间的置换作用，加快了材料的致密化速率；同时，由于稀土和酚醛树脂的添加，碳化硼在烧结过程中，产生了晶粒细化、物质迁移方式改变等微观结构的演变。. 近期，利用本基金研究成果，与中国原子能科学研究院展开合作，为其设计某型反应堆制作所需的B4C陶瓷元件。本基金取得的研究成果已经开始促进我国快中子反应堆的发展，其实际应用价值已经开始显现。