[发明专利]一种高耐磨氧化铍-氧化锆核壳结构陶瓷球及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种氧化铍‑氧化锆核壳结构陶瓷球及其制备方法。该陶瓷球为核壳结构，核芯为BeO小球，壳层为ZrO₂层；BeO小球平均直径为0.6‑0.8mm，ZrO₂层平均厚度为0.3‑0.4mm。制备方法：纳米BeO陶瓷粉料和去离子水混合后得到BeO陶瓷料浆；将BeO陶瓷料浆喷雾干燥，得到BeO陶瓷颗粒；将BeO陶瓷颗粒种子加入造球机中，在种子上洒纳米BeO粉末，同时喷雾水；持续滚制成型，直至成型为直径0.7‑1.0mm的小球；在BeO陶瓷球上洒纳米ZrO₂粉末，同时喷雾水，继续滚制小球，直到成型为直径为1.1‑1.4mm的ZrO₂包覆BeO核壳结构陶瓷球坯体；干燥，高温真空烧结，即得。

技术领域

本发明属于核工业中的中子源材料和中子倍增材料技术领域，具体涉及一种高耐磨氧化铍-氧化锆核壳结构陶瓷球及其制备方法与应用。

背景技术

氧化铍(BeO)陶瓷因其高熔点(2530±10℃)、高热导率、高强度和高化学稳定性和高热稳定性等优点，在特种冶金、微电子、光电子等领域具有广泛的应用。此外，BeO具有高的中子散射截面，减速比高于金属铍和石墨以及高温辐照稳定性高于金属铍等优异的核性能，因此可作为中子源材料、中子倍增材料，尤其可作为先进核能系统颗粒流靶的候选材料之一。

颗粒流靶在服役过程中存在形式复杂多变的摩擦、磨损，因而影响靶球的服役寿命和靶装置的稳定性，因此提高靶材耐磨性是颗粒流靶设计的关键问题之一。此外由于BeO粉尘对人体有害，需要保证工作环境的安全性。考虑到以上的因素，需要制备能够确保使用安全且耐磨的颗粒流靶候选材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种高耐磨氧化铍-氧化锆核壳结构陶瓷球及其制备方法，以提高靶球的耐磨性和安全性。该方法工艺简单、操作方便且可实现大规模生产；通过该方法制得的BeO/ZrO₂核壳结构陶瓷球球形度好、致密性高，工艺过程中不需要额外添加有机粘结剂，引入的杂质少，尤其适用于颗粒流靶候选材料。

本发明所提供的高耐磨氧化铍-氧化锆核壳结构陶瓷球，其核芯为BeO小球，壳层为ZrO₂层；所述BeO小球的平均直径为0.6-0.8mm，所述ZrO₂层的平均厚度为0.3-0.4mm。

本发明所提供的高耐磨氧化铍-氧化锆核壳结构陶瓷球的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取原料高纯纳米BeO陶瓷粉料和去离子水，经过球磨混合后得到固含量为56％-63％的BeO陶瓷料浆；

(2)将步骤(1)得到的BeO陶瓷料浆进行喷雾干燥，得到粒径为0.1-0.15mm的BeO陶瓷颗粒；

(3)将(2)得到的BeO陶瓷颗粒种子缓慢加入造球机中，在造球机转动的过程中在种子上洒纳米BeO粉末，并同时以喷雾的方式加入去离子水；持续滚制成型，直至陶瓷颗粒成型为直径为0.7-1.0mm的BeO陶瓷球；

(4)在步骤(3)所述造球机中的BeO陶瓷球上洒纳米ZrO₂粉末，同时以喷雾的方式加入去离子水，继续滚制小球，直到小球成型为直径为1.1-1.4mm的ZrO₂包覆BeO核壳结构陶瓷球坯体；

(5)将步骤(4)所制得ZrO₂包覆BeO核壳结构陶瓷球坯体在室温下干燥至含水率为2％-3％；

(6)将步骤(5)所制得的坯体置于高温真空炉中进行烧结；所述烧结温度为1600-1700℃，保温时间2-4h。

上述方法步骤(1)中，所述纳米BeO陶瓷粉料的粒径d₅₀小于100nm，粉末的纯度不小于99.9％。

上述方法步骤(1)中，所述纳米BeO陶瓷粉料和去离子水按照质量比1:(0.6-0.8)的比例混合。