一種¹⁰B碳化硼及其制備方法

專利名稱：一種¹⁰B碳化硼及其制備方法
技術領域：
本發明涉及防護和控制材料技術領域，具體涉及一種kiB碳化硼及其制備方法。
背景技術：
kiB碳化硼中的kiB具有較高的中子俘獲截面，俘獲能譜寬，吸收中子后不產生放射 性同位素，二次射線能量低的特性，成為用于核反應堆的最重要中子吸收的首選材料。而且 kiB碳化硼具有優越的高溫性質、極好的耐磨性、相當好的化學惰性以及特殊的輻射性質。其 制品可在核反應堆中用作屏蔽防護材料和控制材料。在專利申請號為200910231496. 2，發明名稱為“一種富kiB碳化硼粉體及其制備方 法”的發明專利申請中，將kiB硼酸粉體和碳粉以無水乙醇為介質，球磨混合、烘干，在600 800° C下煅燒，將煅燒后的粉體磨細，放在石墨模具中在氬氣或真空中、1700-1850° C進 行碳化，保溫時間20 30分鐘，得富、碳化硼粉體，其中B4C含量大于97wt%，B2O3含量小 于lwt%，殘量碳含量小于2wt% ；碳化硼粉體的中位粒徑d5(l彡3. 5μπι。這種方法所用的高 純碳粉，通常是指炭黑，它反應活性強，但易氧化。在混合、硼酸粉體和碳粉時以無水乙醇 為介質，增加了生產成本；在600 800° C溫度下的一次煅燒造成含硼物料的飛揚，碳粉 氧化，浪費了原料。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術存在的不足，提供一種kiB碳化硼及其制備方法。本發明的、碳化硼其中B4C的含量為>97wt%，B2O3含量<0. 3wt%,游離硼含量 <1. 3wt%, 10B豐度為25 99% (at.)，余量為不可避免的雜質。本發明的wB碳化硼的制備方法按如下步驟進行
(1)首先按質量份將、豐度為25 99%(at.)的硼酸粉75 85份和石墨粉15 25份在混料機中混合5 8小時，得到混合粉料，其中硼酸粉純度為99. 9wt%,中位粒徑 d50<300 μ m,石墨粉純度為99. 9wt%，中位粒徑d5(1<4 μ m ；
(2)在壓片機中將混合粉料壓成直徑為20mm，厚度為IOmm的壓片顆粒；
(3)將混合粉料壓片顆粒放入陶瓷缽中，在馬弗爐中進行分段焙燒脫水，在100 200° C溫度條件下焙燒60分鐘，使硼酸脫水成為偏硼酸和四硼酸后，再在500 700° C 溫度條件下焙燒60分鐘，使偏硼酸和四硼酸完全脫水成為硼酐(B2O3)；
(4)使脫水后的混合粉料壓片顆粒在溫度為1855 2100°C條件下發生碳化反應 后，保溫60分鐘，其中碳化反應是將混合粉料壓片顆粒放入感應加熱爐或石墨加熱爐中， 在氬氣氣氛保護，常壓下進行加熱碳化，或將混合粉料顆粒料放入電弧爐中，在空氣中進行 加熱碳化；
(5)將碳化反應后的混合粉料壓片顆粒冷卻到室溫后，在60° C條件下，采用質量濃度 為20%的鹽酸酸洗并在60° C條件下水洗即得到粉狀的或海綿狀的kiB碳化硼。與現有技術相比，本發明的特點及其有益效果是1.、碳化硼中的kiB具有較高的中子俘獲截面，俘獲能譜寬，吸收中子后不產生放射性 同位素，二次射線能量低的特性，成為用于核反應堆的最重要中子吸收的首選材料，而且由 于其具有優越的高溫性質、極好的耐磨性、相當好的化學惰性以及特殊的輻射性質，所以本 發明的高豐度的、碳化硼制品可在核反應堆中用作屏蔽防護材料和控制材料；
2.本發明所使用的原料還原劑碳，為高純石墨粉，混料時無需無水乙醇介質即可混合 均勻；在500 700° C溫度下焙燒脫水時，避免了氧化損失；
3.本發明焙燒脫水采用不同溫度分段作業，避免突然進入高溫激烈脫水，造成昂貴 的含硼物料的飛揚損失；
4.本發明高溫碳化是在感應加熱爐和石墨電阻爐中進行，焙燒脫水后的壓片顆粒物 料入爐，氬氣保護，常壓下操作，避免了由于抽真空將粉料抽入損壞真空系統，同時造成昂 貴的wB2O3損失，電弧爐碳化無需氬氣保護；
5.相對于現有技術本發明碳熱還原法制備kiB碳化硼采用較高的反應溫度1855 2100° C，能保證反應充分；
6.本發明給出了三種高溫爐制備kiB碳化硼的工藝方法，根據條件和需要，采用最適合 的工藝方法。


圖1是實施例1的、碳化硼產品的粒度分布圖，d5(1=27. 5 μ m。
具體實施例方式下面結合實施例對本發明作詳細說明，但本發明的保護范圍不僅限于下述的實施 例。實施例中所得產品的性能測定方法如下粒度的測定是通過激光粒度分析儀實 現；
10B豐度，采用電感耦合等離子體質譜法測定。實施例1
(1)首先按質量份將kiB豐度為99 %(at.)的硼酸粉75份和石墨粉25份在混料機中 混合5小時，得到混合粉料，其中硼酸粉純度為99. 9wt%,中位粒徑d5Q<300 μ m，石墨粉純度 為 99. 9wt%，中位粒徑 d50<4 μ m ；
(2)在壓片機中將混合粉料壓成直徑為20mm，厚度為IOmm的壓片顆粒；
(3)將混合粉料壓片顆粒放入陶瓷缽中，在馬弗爐中進行分段焙燒脫水，在100°C 溫度條件下焙燒60分鐘，使硼酸脫水成為偏硼酸和四硼酸后，再在700° C溫度條件下焙燒 60分鐘，使偏硼酸和四硼酸完全脫水成為硼酐(B2O3)；
(4)使脫水后的混合粉料壓片顆粒在溫度為2100°C條件下發生碳化反應后，保溫 60分鐘，其中碳化反應是將混合粉料壓片顆粒放入感應加熱爐，在氬氣氣氛保護，常壓條件 下進行加熱碳化；
(5)將碳化反應后的混合粉料壓片顆粒冷卻到室溫后，在60° C條件下，采用濃度為 20wt%的鹽酸酸洗后，在60° C條件下水洗，即得到粉狀的kiB碳化硼；
經北京化學試劑研究所檢驗，B4C含量97. llwt%,總硼77. 89wt%，游離硼0. 589wt%，三氧化二硼0. 16wt%,總碳21. 00wt% ；產品中10B豐度99% (at.)，余量為不可避免的雜質。實施例2
(1)首先按質量份將、豐度為60% (at.)的硼酸粉80份和石墨粉20份在混料機中 混合8小時，得到混合粉料，其中硼酸粉純度為99. 9wt%,中位粒徑d5Q<300 μ m，石墨粉純度 為 99. 9wt%，中位粒徑 d50<4 μ m ；
(2)在壓片機中將混合粉料壓成直徑為20mm，厚度為IOmm的壓片顆粒；
(3)將混合粉料壓片顆粒放入陶瓷缽中，在馬弗爐中進行分段焙燒脫水，在150°C 溫度條件下焙燒60分鐘，使硼酸脫水成為偏硼酸和四硼酸后，再在600° C溫度條件下焙燒 60分鐘，使偏硼酸和四硼酸完全脫水成為硼酐(B2O3)；
(4)使脫水后的混合粉料壓片顆粒在溫度為1855°C條件下發生碳化反應后，保溫 60分鐘，其中碳化反應是將混合粉料壓片顆粒放入20 kw石墨電阻爐中，在氬氣氣氛保護 下，常壓條件下進行加熱碳化；
(5)將碳化反應后的混合粉料壓片顆粒冷卻到室溫后，在60° C條件下，采用濃度為 20wt%的鹽酸酸洗后，在60° C條件下水洗，即得到粉狀的kiB碳化硼；
產品中10B豐度60%(at.) ,B4C含量97. 23wt%,總硼77. 69wt%，游離硼0. 389wt%，三氧 化二硼0. 24wt%，總碳21. 10wt%，余量為不可避免的雜質。實施例3
(1)首先按質量份將、豐度為25% (at.)的硼酸粉83份和石墨粉17份在混料機中混 合6小時，得到混合粉料，其中硼酸粉純度為99. 9wt%,中位粒徑d5(1<300 μ m,石墨粉純度為 99. 9wt%,中位粒徑 d50<4 μ m ；
(2)在壓片機中將混合粉料壓成直徑為20mm，厚度為IOmm的壓片顆粒；
(3)將混合粉料壓片顆粒放入陶瓷缽中，在馬弗爐中進行分段焙燒脫水，在200°C 溫度條件下焙燒60分鐘，使硼酸脫水成為偏硼酸和四硼酸后，再在500° C溫度條件下焙燒 60分鐘，使偏硼酸和四硼酸完全脫水成為硼酐(B2O3)；
(4)使脫水后的混合粉料壓片顆粒在溫度為2000°C條件下發生碳化反應，其中碳 化反應是將混合粉料壓片顆粒放入60 kvA電弧爐中，在空氣中進行加熱碳化；
(5)將碳化反應后的混合粉料壓片顆粒冷卻到室溫后，采用濃度為20wt%的鹽酸酸洗 后，在60° C條件下水洗，即得到海綿狀的kiB碳化硼；
產品中10B豐度25% (at.), B4C含量97. 04wt%,總硼77. 54wt%，游離硼0. 436wt%，三氧 化二硼0. 28wt%,總碳21. 45wt%，余量為不可避免的雜質。
權利要求
1.一種ltlB碳化硼，其特征在于所述的ltlB碳化硼中，B4C的含量>97wt%，化03含量 <0. 3wt%，游離硼含量<1. 3wt%, 10B豐度為25 99% (at.)，余量為不可避免的雜質。
2.權利要求1所述的一種ltlB碳化硼的制備方法，其特征在于按如下步驟進行(1)首先按質量份將、豐度為25 99%(at.)的硼酸粉75 85份和石墨粉15 25份混合，得到混合粉料；(2)將混合粉料制成壓片顆粒；(3)將混合粉料壓片顆粒分段焙燒脫水，在100 200°C溫度條件下焙燒60分鐘， 使硼酸脫水成為偏硼酸和四硼酸后，再在500 700° C溫度條件下焙燒60分鐘，使偏硼酸 和四硼酸完全脫水成為硼酐( )；(4)使脫水后的混合粉料壓片顆粒在溫度為1855 2100°C條件下發生碳化反應后， 保溫60分鐘；(5)將碳化反應后的混合粉料壓片顆粒冷卻到室溫后，在60°C條件下，采用質量濃度 為20%的鹽酸酸洗或在60° C條件下水洗即得到粉狀的或海綿狀的kiB碳化硼。
3.根據權利要求1所述的一種ltlB碳化硼的制備方法，其特征在于步驟(1)中硼酸粉的 純度為99. 9wt%，中位粒徑d5Q<300 μ m,石墨粉純度為99. 9wt%，中位粒徑d5(1<4 μ m。
4.根據權利要求1所述的一種ltlB碳化硼的制備方法，其特征在于步驟(1)中硼酸粉與 石墨粉的混合是在混料機中進行，混合5 8小時。
5.根據權利要求1所述的一種ltlB碳化硼的制備方法，其特征在于步驟(2)中混合粉料 的壓片在壓片機中進行，得到的壓片顆粒的直徑為20mm，厚度為10mm。
6.根據權利要求1所述的一種ltlB碳化硼的制備方法，其特征在于步驟(3)是將混合粉 料壓片顆粒放入陶瓷缽中，在馬弗爐中進行分段焙燒脫水。
7.根據權利要求1所述的一種ltlB碳化硼的制備方法，其特征在于步驟(4)中混合粉料 壓片顆粒的加熱碳化，是將混合粉料壓片顆粒放入感應加熱爐或石墨加熱爐中，在氬氣氣 氛保護，常壓下進行碳化，或將混合粉料顆粒料放入電弧爐中，在空氣中進行碳化。
全文摘要
本發明涉及防護和控制材料技術領域，具體涉及一種10B碳化硼及其制備方法。本發明的10B碳化硼B4C的含量為>97wt%,B2O3含量<0.3wt%，游離硼含量<1.3wt%，10B豐度為25～99%(at.)。制備方法如下將10B豐度25～99%(at.)的硼酸粉75-85份、高純石墨粉25-35份混合，混合粉料壓成直徑20mm、厚度10mm的壓片顆粒，在100～200°C和500～700°C下進行分段焙燒脫水。將焙燒后壓片顆粒放入感應加熱爐或石墨加熱爐中或電弧爐中進行碳化，碳化溫度1855～2100°C，即得到符合質量要求的10B碳化硼產品。
文檔編號C01B31/36GK102115080SQ20111005957
公開日2011年7月6日 申請日期2011年3月14日 優先權日2011年3月14日
發明者吳旭光, 曹寶勝, 韓曉輝 申請人:大連博恩坦科技有限公司