[发明专利]一种氚增殖用纳米结构正硅酸锂陶瓷小球及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氚增殖用纳米结构正硅酸锂陶瓷小球及其制备方法，首先采用溶剂热法制备出粒径均一的前驱体粉体，然后通过湿法成型获得微观结构均匀的锂陶瓷小球素坯，最后通过两步烧结方式获得纳米结构正硅酸锂陶瓷小球。通过本发明方法制备的正硅酸锂陶瓷纯度高、球形度好，晶粒尺寸达到纳米量级、孔隙小且分布均匀，可有望同时改善氚增殖陶瓷的抗辐照性能、力学性能及释氚性能。

技术领域

本发明属于氚增殖材料领域，具体涉及一种氚增殖用纳米结构正硅酸锂陶瓷小球及其制备方法。

背景技术

作为核聚变核心部件之一，产氚实验包层(Test Blanklet Module,TBM)是实现可控核聚变燃料“自持”的关键，不仅能实现氚的增殖，而且起着能量转换的作用。作为TBM模块中最重要的功能材料，锂陶瓷由于其良好的稳定性、较高的安全性以及无磁流体动力学效应，受到国内外研究的广泛关注，是目前国内外固态氚增殖材料中的主要研究对象；而正硅酸锂(Li₄SiO₄)材料由于含锂密度高，具有良好的化学稳定性、机械稳定性和辐照稳定性，能在较低的温度下释放氚，并可以通过升高温度来减少氚的滞留量，被认为是锂基陶瓷体系中最具有吸引力的氚增殖材料之一。

虽然，目前国内外对正硅酸锂陶瓷小球的制备及其释氚性能做了大量研究工作，但所制备的正硅酸锂陶瓷晶粒尺寸均在微米尺度范围，该尺寸范围内的氚增殖陶瓷晶粒尺寸偏大，由于以下问题而限制其作为氚增殖剂方面的应用：(1)氚生成后从晶粒内部扩散到晶界处扩散距离偏长，从而使氚释放速率降低；(2)辐照会导致材料硬化和脆化，并使其力学性能变差、寿命缩短；(3)辐照过程中锂陶瓷易发生肿胀，从而影响产氚和释氚性能，甚至导致陶瓷破碎或粉化，进而使锂的利用率降低，无法实现正常的氚增殖。

发明内容

针对目前氚增殖陶瓷制备方法难以获得纳米级正硅酸锂陶瓷小球的技术难点，本发明提供了一种氚增殖用纳米结构正硅酸锂陶瓷小球及其制备方法，通过制备工艺的改进，有效缓和正硅酸锂陶瓷致密化与晶粒长大之间的矛盾，制备出了具有较大强度和较好致密性的氚增殖用纳米结构正硅酸锂陶瓷小球。

为了达到上述目的，本发明的基本构思是：考虑到晶界迁移会导致晶粒长大，而晶界扩散能够提供陶瓷致密化所需动力；本发明通过控制温度的变化，在抑制晶界迁移的同时，保持晶界扩散处于活跃状态,即利用晶界扩散及晶界迁移动力学之间的差异，实现在晶粒无显著生长前提下提高陶瓷致密度。

基于上述发明构思，本发明的氚增殖用纳米结构正硅酸锂陶瓷小球制备方法的主要工艺流程为首先采用溶剂热法制备出粒径均一的前驱体粉体，然后通过湿法成型获得微观结构均匀的陶瓷素坯小球，最后通过两步烧结方式获得纳米结构正硅酸锂陶瓷小球，具体包括以下步骤：

(1)制备前驱体粉体

将氢氧化锂加入到等体积甲醇和乙醇组成的复合溶剂中，并搅拌至氢氧化锂完全溶解，得到锂离子浓度为0.5～1.5mol/L的溶液；然后按照硅离子与锂离子的摩尔比为1：4将气相二氧化硅加入到上述溶液中得到第一混合液，将所得第一混合液转入反应釜中，升温至140～180℃反应至少6h；待反应结束后，向反应液中加入纳米二氧化钛粉体并于室温下搅拌至纳米二氧化钛粉体分散均匀得到第二混合液，所述纳米二氧化钛粉体的加入量为反应液中硅离子摩尔量的2％～5％，然后将所得第二混合液进行干燥，再将干燥所得物质研磨即得到前驱体粉体

(2)制备锂陶瓷小球素坯

将步骤(1)获得的前驱体粉体与去离子水混合，调制成前驱体粉末浓度为0.8～1.2g/ml的浆料，然后将浆料滴入液氮中形成小球，继后将小球从液氮中取出干燥即得到锂陶瓷小球素坯；

(3)制备纳米结构正硅酸锂陶瓷小球