本发明涉及石墨砖领域技术，尤其是指一种价格低廉的含硼碳砖的制备方法。
背景技术：
随着社会的不断发展，对能源的需求逐渐增加，而化石燃料逐渐枯竭，急需寻找更优质高效的清洁能源。核能是解决目前我国能源与环境危机的重要选择之一，山东石岛湾核电站采用的是清华大学通过自主研发设计新型模块式高温气冷堆，具有较高的安全性，能提供高达900℃的高温工艺热，标志着第四代高温气冷堆正在进入商业化。
高温气冷堆主要结构包括燃料元件、堆芯、中子反射层、中子吸收层等几个部分，燃料元件为包覆燃料颗粒弥散在基体中的全陶瓷元件；堆芯为储存燃料元件的区域，为反映活性区域，周围被石墨中子反射层包围，中子反射层与吸收层通过燕尾键紧密结合。其中中子吸收层常用的材料为含硼碳砖。传统的含硼碳砖主要采用石油焦和沥青焦作为基体材料，将碳化硼均匀分散于基体材料中，实现中子吸收的效果，有效的防止了核燃料的辐射扩散。然而，由于原材料本身的局限性使产品的各项性能指标较低，并且成本也较高。
农作物秸秆是一种农作物废弃物，随着我国农业生产水平的提高，我们每年的农业秸秆产生量约为6亿吨。一般经过焚烧处理，不仅造成了材料的大量浪费，而且产生的废气对环境造成了一定程度的污染。因此如何变废为宝，大力推进农业秸秆的综合利用意义重大。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种价格低廉的含硼碳砖的制备方法，其能有效解决现有之含硼碳砖由于原材料本身的局限性使产品的各项性能指标较低并且成本高的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种价格低廉的含硼碳砖的制备方法，包括有以下步骤：
（1）原料预处理：将植物秸秆清洗干净，在60～100℃烘干至水分≤5%，初步破碎成1～20mm的锯末，置于炭化炉中，在惰性气体保护下，升温至300～400℃热解处理0.1～1h，后升温至650～850℃处理1～3h，后随炉冷却得到生物质炭，后将所得生物质碳粉碎分级为不同粒径的颗粒：5～10um、30～60um、100～300um、500～1000m；将购置的碳化硼粉体初步磨成30～80um；
2）混合与捏合：将不同粒度的生物质炭中的三种粒度以质量百分比0～40%：10～20%:5～15%的配比添加到混捏机中，后加入占比3～10%的碳化硅粉体，于100～180℃搅拌0.5～3h，搅拌均匀后，再加入剩余量的捏合剂，继续捏合1～5h；
3）成型：将所得的混捏糊料置于模具中，进行挤压或振动成型，使其拥有一定的形状，其中挤压成型所用压力范围为8～30mpa；振动成型压力范围为0.1～1.0公斤/平方厘米；
4）焙烧：将所得成型品置于焙烧炉中于800～1200℃焙烧3～12h；
5）浸渍：在浸渍罐中，加入煤沥青在1～2mpa下保持1～5h；
6）二次焙烧：将浸渍后产品置于焙烧炉中，于800～1200℃焙烧3～12h；
7）机械加工：采用加工机床将碳块材料加工成所需形状。
作为一种优选方案，所述步骤（1）中植物秸秆材料为麦秆、稻谷杆、玉米杆、玉米棒、木材边角料、树木的根与纸条、乔木或灌木。
作为一种优选方案，所述步骤（2）中捏合剂为沥青。
作为一种优选方案，所述沥青为软化点在100～200℃的中温沥青。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果，具体而言，由上述技术方案可知：
本发明打破了原有的技术工艺，采用农业废料秸秆作为原材料，极大的降低了成本，可以起到变废为宝，保护环境的作用；并且本发明所得的产品具有更优的体积密度、抗折抗压强度、更好的导热和热膨胀性能，这些性能的提高大大提高了碳砖的使用寿命。
具体实施方式
本发明揭示了一种价格低廉的含硼碳砖的制备方法，包括有以下步骤：
（1）原料预处理：将植物秸秆清洗干净，在60～100℃烘干至水分≤5%，初步破碎成1～20mm的锯末，置于炭化炉中，在惰性气体保护下，升温至300～400℃热解处理0.1～1h，后升温至650～850℃处理1～3h，后随炉冷却得到生物质炭，后将所得生物质碳粉碎分级为不同粒径的颗粒：5～10um、30～60um、100～300um、500～1000m；将购置的碳化硼粉体初步磨成30～80um；植物秸秆材料为麦秆、稻谷杆、玉米杆、玉米棒、木材边角料、树木的根与纸条、乔木或灌木。
2）混合与捏合：将不同粒度的生物质炭中的三种粒度以质量百分比0～40%：10～20%:5～15%的配比添加到混捏机中，后加入占比3～10%的碳化硅粉体，于100～180℃搅拌0.5～3h，搅拌均匀后，再加入剩余量的捏合剂，继续捏合1～5h；捏合剂为沥青，并且沥青为软化点在100～200℃的中温沥青。
3）成型：将所得的混捏糊料置于模具中，进行挤压或振动成型，使其拥有一定的形状，其中挤压成型所用压力范围为8～30mpa；振动成型压力范围为0.1～1.0公斤/平方厘米。
4）焙烧：将所得成型品置于焙烧炉中于800～1200℃焙烧3～12h。
5）浸渍：在浸渍罐中，加入煤沥青在1～2mpa下保持1～5h。
6）二次焙烧：将浸渍后产品置于焙烧炉中，于800～1200℃焙烧3～12h。
7）机械加工：采用加工机床将碳块材料加工成所需形状。
下面以多个实施例对本发明做进一步详细说明：
实施例1：
一种价格低廉的含硼碳砖的制备方法，包括有以下步骤：
（1）原料预处理：将植物秸秆清洗干净，在60℃烘干至水分≤5%，初步破碎成1mm的锯末，置于炭化炉中，在惰性气体保护下，升温至320℃热解处理0.8h，后升温至750℃处理1h，后随炉冷却得到生物质炭，后将所得生物质碳粉碎分级为不同粒径的颗粒：5～10um、30～60um、100～300um、500～1000m；将购置的碳化硼粉体初步磨成45um；植物秸秆材料为麦秆。
2）混合与捏合：将不同粒度的生物质炭中的三种粒度以质量百分比10%：16%:8%的配比添加到混捏机中，后加入占比10%的碳化硅粉体，于150℃搅拌2.5h，搅拌均匀后，再加入剩余量的捏合剂，继续捏合2h；捏合剂为沥青，并且沥青为软化点在120℃的中温沥青。
3）成型：将所得的混捏糊料置于模具中，进行挤压，使其拥有一定的形状，其中挤压成型所用压力为12mpa。
4）焙烧：将所得成型品置于焙烧炉中于1200℃焙烧3h。
5）浸渍：在浸渍罐中，加入煤沥青在1.5mpa下保持4h。
6）二次焙烧：将浸渍后产品置于焙烧炉中，于900℃焙烧10h。
7）机械加工：采用加工机床将碳块材料加工成所需形状。
实施例2：
一种价格低廉的含硼碳砖的制备方法，包括有以下步骤：
（1）原料预处理：将植物秸秆清洗干净，在65℃烘干至水分≤5%，初步破碎成20mm的锯末，置于炭化炉中，在惰性气体保护下，升温至400℃热解处理0.1h，后升温至650℃处理3h，后随炉冷却得到生物质炭，后将所得生物质碳粉碎分级为不同粒径的颗粒：5～10um、30～60um、100～300um、500～1000m；将购置的碳化硼粉体初步磨成30um；植物秸秆材料为稻谷杆。
2）混合与捏合：将不同粒度的生物质炭中的三种粒度以质量百分比30%：10%:5%的配比添加到混捏机中，后加入占比3%的碳化硅粉体，于100℃搅拌0.5h，搅拌均匀后，再加入剩余量的捏合剂，继续捏合4h；捏合剂为沥青，并且沥青为软化点在100℃的中温沥青。
3）成型：将所得的混捏糊料置于模具中，进行振动成型，使其拥有一定的形状，振动成型压力为0.7公斤/平方厘米。
4）焙烧：将所得成型品置于焙烧炉中于800℃焙烧11h。
5）浸渍：在浸渍罐中，加入煤沥青在1mpa下保持3h。
6）二次焙烧：将浸渍后产品置于焙烧炉中，于1000℃焙烧3h。
7）机械加工：采用加工机床将碳块材料加工成所需形状。
实施例3：
一种价格低廉的含硼碳砖的制备方法，包括有以下步骤：
（1）原料预处理：将植物秸秆清洗干净，在75℃烘干至水分≤5%，初步破碎成13mm的锯末，置于炭化炉中，在惰性气体保护下，升温至300℃热解处理1h，后升温至850℃处理2h，后随炉冷却得到生物质炭，后将所得生物质碳粉碎分级为不同粒径的颗粒：5～10um、30～60um、100～300um、500～1000m；将购置的碳化硼粉体初步磨成80um；植物秸秆材料为玉米杆。
2）混合与捏合：将不同粒度的生物质炭中的三种粒度以质量百分比40%：20%:15%的配比添加到混捏机中，后加入占比7%的碳化硅粉体，于140℃搅拌2.1h，搅拌均匀后，再加入剩余量的捏合剂，继续捏合3h；捏合剂为沥青，并且沥青为软化点在170℃的中温沥青。
3）成型：将所得的混捏糊料置于模具中，进行挤压成型，使其拥有一定的形状，其中挤压成型所用压力为30mpa。
4）焙烧：将所得成型品置于焙烧炉中于900℃焙烧12h。
5）浸渍：在浸渍罐中，加入煤沥青在2mpa下保持1h。
6）二次焙烧：将浸渍后产品置于焙烧炉中，于1200℃焙烧12h。
7）机械加工：采用加工机床将碳块材料加工成所需形状。
实施例4：
一种价格低廉的含硼碳砖的制备方法，包括有以下步骤：
（1）原料预处理：将植物秸秆清洗干净，在100℃烘干至水分≤5%，初步破碎成8mm的锯末，置于炭化炉中，在惰性气体保护下，升温至350℃热解处理0.6h，后升温至720℃处理1.5h，后随炉冷却得到生物质炭，后将所得生物质碳粉碎分级为不同粒径的颗粒：5～10um、30～60um、100～300um、500～1000m；将购置的碳化硼粉体初步磨成67um；植物秸秆材料为玉米棒。
2）混合与捏合：将不同粒度的生物质炭中的三种粒度以质量百分比20%：15%:13%的配比添加到混捏机中，后加入占比3～10%的碳化硅粉体，于180℃搅拌3h，搅拌均匀后，再加入剩余量的捏合剂，继续捏合1h；捏合剂为沥青，并且沥青为软化点在195℃的中温沥青。
3）成型：将所得的混捏糊料置于模具中，进行振动成型，使其拥有一定的形状，振动成型压力为1.0公斤/平方厘米。
4）焙烧：将所得成型品置于焙烧炉中于1100℃焙烧8h。
5）浸渍：在浸渍罐中，加入煤沥青在1.2mpa下保持5h。
6）二次焙烧：将浸渍后产品置于焙烧炉中，于800℃焙烧8h。
7）机械加工：采用加工机床将碳块材料加工成所需形状。
实施例5：
一种价格低廉的含硼碳砖的制备方法，包括有以下步骤：
（1）原料预处理：将植物秸秆清洗干净，在82℃烘干至水分≤5%，初步破碎成5mm的锯末，置于炭化炉中，在惰性气体保护下，升温至380℃热解处理0.3h，后升温至810℃处理1.7h，后随炉冷却得到生物质炭，后将所得生物质碳粉碎分级为不同粒径的颗粒：5～10um、30～60um、100～300um、500～1000m；将购置的碳化硼粉体初步磨成54um；植物秸秆材料为木材边角料。
2）混合与捏合：将不同粒度的生物质炭中的三种粒度以质量百分比0%：18%:10%的配比添加到混捏机中，后加入占比8%的碳化硅粉体，于121℃搅拌0.7h，搅拌均匀后，再加入剩余量的捏合剂，继续捏合5h；捏合剂为沥青，并且沥青为软化点在200℃的中温沥青。
3）成型：将所得的混捏糊料置于模具中，进行挤压成型，使其拥有一定的形状，其中挤压成型所用压力为15mpa。
4）焙烧：将所得成型品置于焙烧炉中于950℃焙烧5h。
5）浸渍：在浸渍罐中，加入煤沥青在1.6mpa下保持2h。
6）二次焙烧：将浸渍后产品置于焙烧炉中，于850℃焙烧9h。
7）机械加工：采用加工机床将碳块材料加工成所需形状。
实施例6：
一种价格低廉的含硼碳砖的制备方法，包括有以下步骤：
（1）原料预处理：将植物秸秆清洗干净，在91℃烘干至水分≤5%，初步破碎成16mm的锯末，置于炭化炉中，在惰性气体保护下，升温至392℃热解处理0.7h，后升温至690℃处理2.3h，后随炉冷却得到生物质炭，后将所得生物质碳粉碎分级为不同粒径的颗粒：5～10um、30～60um、100～300um、500～1000m；将购置的碳化硼粉体初步磨成73um；植物秸秆材料为树木的根与纸条。
2）混合与捏合：将不同粒度的生物质炭中的三种粒度以质量百分比35%：17%:11%的配比添加到混捏机中，后加入占比4%的碳化硅粉体，于165℃搅拌1.6h，搅拌均匀后，再加入剩余量的捏合剂，继续捏合1.5h；捏合剂为沥青，并且沥青为软化点在127℃的中温沥青。
3）成型：将所得的混捏糊料置于模具中，进行振动成型，使其拥有一定的形状，振动成型压力为0.9公斤/平方厘米。
4）焙烧：将所得成型品置于焙烧炉中于1051℃焙烧7h。
5）浸渍：在浸渍罐中，加入煤沥青在1.8mpa下保持3.5h。
6）二次焙烧：将浸渍后产品置于焙烧炉中，于950℃焙烧5h。
7）机械加工：采用加工机床将碳块材料加工成所需形状。
对比例1：
采用石油焦和沥青焦作为基体材料，将碳化硼均匀分散于基体材料中。
下面对上述各个实施例和对比例制得的含硼碳砖进行各项性能的测试，其测试方法为现有技术，在此对测试方法不作详细叙述，测试结果如下表所示：
从上表可见，本发明各个实施例制得的含硼碳砖其各项性能明显优于标准值。
本发明的设计重点在于：本发明打破了原有的技术工艺，采用农业废料秸秆作为原材料，极大的降低了成本，可以起到变废为宝，保护环境的作用；并且本发明所得的产品具有更优的体积密度、抗折抗压强度、更好的导热和热膨胀性能，这些性能的提高大大提高了碳砖的使用寿命。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。