[发明专利]氚增殖用正硅酸锂-钛酸锂核壳结构陶瓷小球及制备方法

说明书

本发明提供一种氚增殖用正硅酸锂‑钛酸锂核壳结构陶瓷小球及制备方法，采用LiOH·Hsubgt;2/subgt;O和Hsubgt;2/subgt;SiOsubgt;3/subgt;为原材料进行机械混合，预烧热处理后获得正硅酸锂前驱粉体；采用LiOH·Hsubgt;2/subgt;O和Hsubgt;2/subgt;TiOsubgt;3/subgt;为原材料进行机械混合，预烧热处理后获得钛酸锂前驱粉体；将上述前驱粉体与PVB溶液混合，获得包覆有粘接剂的前驱粉体；通过球磨造粒将包覆有PVB的正硅酸锂前驱粉体制备成球形内核，随后添加包覆有PVB的钛酸锂前驱粉体继续旋转造粒，直至形成核壳结构素坯小球；最终经烧结获得正硅酸锂‑钛酸锂核壳结构陶瓷小球。本发明克服了正硅酸锂和钛酸锂陶瓷烧结收缩率的不匹配问题。

技术领域

本发明属于聚变反应堆技术领域，特别涉及一种氚增殖用正硅酸锂-钛酸锂核壳结构陶瓷小球及制备方法。

背景技术

氚增殖剂作为核聚变反应堆产氚包层中的关键材料，其作用是和中子发生核反应以提供燃料循环所必要的氚。Li₄SiO₄因其高锂原子密度、低中子活化特性和突出的低温氚释放率被中国聚变工程实验堆(CFETR)认定为首选氚增殖剂。然而，Li₄SiO₄有着较强的吸水倾向，易与H₂O发生反应生成Li₂SiO₃和LiOH等分解产物，致使其在湿气环境中难以保持物相和结构稳定性，给该材料的储存、转移和装载带来了挑战。因此，引进新思路和新方法对Li₄SiO₄进行改进，提高其湿气稳定性和力学性能，就成为目前Li₄SiO₄氚增殖剂应用过程中亟待解决的重要问题。现阶段，国内外针对Li₄SiO4氚增殖剂的改性研究主要有以下三类：①通过掺杂TiO₂、SiO₂和ZrO₂等氧化物以达到增强力学性能的目的，不过该方法提升的压碎强度十分有限，仍需进一步提高，并且掺入Li₂O甚至会促使晶粒异常长大；②直接引入Li₂TiO₃和LiAlO₂等氚增殖材料作为第二相并形成复相陶瓷结构，可在抑制晶粒生长、增强力学性能的同时形成多种氚增殖剂的性能互补；③新型氚增殖陶瓷材料的研究。研究人员基于Li₄SiO₄和Li₂TiO₃在烧结过程中扩散性能的差异，在高温烧结50％Li₂TiO₃-50％Li₄SiO₄复相氚增殖陶瓷微球时获得了具有核壳结构的复相陶瓷微球(壳为Li₂TiO₃，核为50％Li₂TiO₃-50％Li₄SiO₄)，该特殊的复相核壳结构可显著提升压碎强度。同时，核壳结构较之于传统复合材料具有先天优势，稳定的壳层结构可保护内核免受壳外湿气环境等因素的影响。但从整体锂密度的角度考虑，复合陶瓷中第二相物质过高的添加量(Li₂TiO₃占比达到50％)会牺牲Li₄SiO₄的高锂密度优势，从而削弱氚增殖比。在此基础上，若能制备出具有纯相Li₄SiO₄内核和纯相Li₂TiO₃壳层的核壳结构锂陶瓷小球对于氚增殖领域的发展将具有重要意义。然而，Li₄SiO₄和Li₂TiO₃的晶体结构、晶粒尺寸、烧结活性和烧结温度等存在较大差异，导致两种物质在高温烧结过程中难以保持一致的收缩率，给该核壳结构陶瓷材料的稳定制备带来了较大挑战。目前国内外尚无Li₄SiO₄-Li₂TiO₃核壳结构氚增殖陶瓷小球(核：纯相Li₄SiO₄，壳：纯相Li₂TiO₃)被成功制备的报道。