一种有效抑制正硅酸锂陶瓷小球中锂挥发的方法

本发明涉及一种有效抑制正硅酸锂陶瓷小球中锂挥发的方法，属于陶瓷材料。

背景技术：

1、核聚变反应可以产生比启动反应过程所提供的能量多得多的能量，导致功率整体增加。可自持燃烧(即“点火”)的核聚变实验堆，用以验证聚变反应堆的可行性。测试产氚实验包层模块(tbm)的目的就是验证商用聚变堆产氚和获取能量。正硅酸锂(li4sio4)由于其锂密度高、导热系数高、稳定性好、氚释放速率等优点，目前被认为是热核聚变反应堆增殖包层最重要的候选材料之一。

2、tbm(测试包层模块)对固态氚增殖剂的基本要求为小球直径在1～2mm之间，压碎载荷大于10n，相对密度大于80％。目前，正硅酸锂小球的制备方法主要有溶胶凝胶法、熔融喷雾法、石墨球床法等。但通过以上方法制备的正硅酸锂陶瓷小球,均存在各方面的问题，溶胶凝胶法制备的正硅酸锂小球压碎载荷可达到40n，但密度无法达到指标要求，只有74％；熔融喷雾法制备的正硅酸锂小球相对密度可以达到95％，但压碎载荷只有7～20n，石墨球床法制备的正硅酸锂小球压碎载荷可达到60n，但球形度并不能达到要求。但所有方法均存在的共性问题是在制备过程中由于锂的挥发性，会导致偏硅酸锂的生成，相纯度达不到指标要求。

技术实现思路

1、针对固态氚增殖剂正硅酸锂小球在制备过程中由于锂的挥发性，会导致偏硅酸锂的生成，相纯度达不到指标要求等问题，本发明提出了一种有效抑制正硅酸锂陶瓷小球中锂挥发的方法，即采用海藻酸锂有机物，利用凝胶注模工艺，将陶瓷粉体与聚乙烯醇、海藻酸锂溶液按照特定比例进行混合，将制备好的浆料通过滴注的方式，滴注到液氮中，液滴在下落过程中，在重力和表面张力的作用下收缩成球形；然后将冻结的小球浸泡在丙酮中，烘干，得到具有一定强度的陶瓷小球素坯，最后通过烧结工艺，得到正硅酸锂陶瓷小球。本发明工艺简单安全，所制备的小球压碎载荷可达到35n，相对密度为85％，且能够连续生产，生产效率高。

2、一种有效抑制正硅酸锂陶瓷小球中锂挥发的方法，具体步骤如下：

3、(1)将碳酸锂和纳米二氧化硅混匀，然后置于温度为800～1000℃下固相反应得到正硅酸锂粉末前驱体；

4、(2)将正硅酸锂粉末前驱体、pva水溶液和海藻酸锂水溶液混合均匀得到混合浆液；

5、(3)将混合浆液逐滴滴入液氮中骤冷得到冷冻微球；

6、(4)将冷冻微球放入丙酮溶液中，真空干燥至丙酮溶液完全挥发得到陶瓷小球；

7、(5)陶瓷小球匀速升温至400～600℃并保温烧结0.5～1.5h，再匀速升温至900～1100℃并恒温烧结2～6h，得到正硅酸锂氚增殖陶瓷小球。两段烧结工艺既可将微球中的有机物质挥发完全，也保证了正硅酸锂球体内颗粒相互粘连、体积收缩迅速致密化形成坚固烧结体，保证了球体的致密度与正硅酸锂材料的装载与吸附等性能。

8、所述步骤(1)碳酸锂和纳米二氧化硅的摩尔比为2:1。

9、所述步骤(2)pva水溶液的质量浓度为3％，海藻酸锂水溶液的质量浓度为1～3％，以质量百分数计，混合浆液中正硅酸锂粉末前驱体占50～70％，海藻酸锂水溶液占10％，其余为pva水溶液。

10、所述步骤(3)混合浆液经内径为0.5～1.5mm的针头逐滴滴加至液氮中，针头的内径以控制冷冻微球的粒径。

11、所述步骤(3)冷冻微球的粒径为1.5mm～2mm。

12、所述步骤(4)丙酮溶液的上液面比冷冻微球顶面高0.5～1cm，以使陶瓷小球不团聚，能更好的塑形。

13、所述步骤(4)真空干燥温度为50～70℃。

14、所述步骤(5)匀速升温速率为3～5℃/min。

15、本发明有效抑制正硅酸锂陶瓷小球中锂挥发的原理：通过添加海藻酸锂，能够与正硅酸锂反应过程中以及前驱粉体中所产生与含有的偏硅酸锂等杂质进行反应，进而使其产生正硅酸锂，去除杂质，并且补充正硅酸锂，达到抑制正硅酸锂陶瓷小球在烧结过程中锂挥发的效果。

16、本发明的有益效果是：

17、(1)本发明将聚乙二醇pva与海藻酸锂作为制备陶瓷小球的粘结剂，无毒理性，工艺环保等特点；

18、(2)本发明采用凝胶滴注的方法，制备的正硅酸锂陶瓷小球，压碎强度可达到35n，相对密度达到85％，满足氚增殖陶瓷小球的性能指标；

19、(3)本发明采用海藻酸锂抑制小球成型烧结过程中锂的挥发，而海藻酸锂中的c、o、h等物质在烧结过程中会完全挥发，不会产生偏硅酸锂等杂相，相纯度可达到要求；

20、(4)本发明高温烧结将微球中的有机物质挥发完全，保证正硅酸锂球体内颗粒相互粘连、体积收缩迅速致密化形成坚固烧结体，并保证球体的致密度与正硅酸锂材料的装载与吸附等性能。

技术特征：

1.一种有效抑制正硅酸锂陶瓷小球中锂挥发的方法，其特征在于，具体步骤如下：

2.根据权利要求1所述有效抑制正硅酸锂陶瓷小球中锂挥发的方法，其特征在于：步骤(1)碳酸锂和纳米二氧化硅的摩尔比为2:1。

3.根据权利要求1所述有效抑制正硅酸锂陶瓷小球中锂挥发的方法，其特征在于：步骤(2)pva水溶液的质量浓度为3％，海藻酸锂水溶液的质量浓度为1～3％，以质量百分数计，混合浆液中正硅酸锂粉末前驱体占60～80％，海藻酸锂水溶液占10％，其余为pva水溶液。

4.根据权利要求1所述有效抑制正硅酸锂陶瓷小球中锂挥发的方法，其特征在于：步骤(3)冷冻微球的粒径为1.5mm～2mm。

5.根据权利要求1所述有效抑制正硅酸锂陶瓷小球中锂挥发的方法，其特征在于：步骤(4)丙酮溶液的上液面比冷冻微球顶面高0.5～1cm。

6.根据权利要求1所述有效抑制正硅酸锂陶瓷小球中锂挥发的方法，其特征在于：步骤(4)真空干燥温度为50～70℃。

7.根据权利要求1所述有效抑制正硅酸锂陶瓷小球中锂挥发的方法，其特征在于：步骤(5)匀速升温速率为3～5℃/min。

技术总结
本发明涉及一种有效抑制正硅酸锂陶瓷小球中锂挥发的方法，属于陶瓷材料技术领域。本发明将碳酸锂和纳米二氧化硅混匀，然后置于温度为800～1000℃下固相反应得到正硅酸锂粉末前驱体；将正硅酸锂粉末前驱体、PVA水溶液和海藻酸锂水溶液混合均匀得到混合浆液，将混合浆液逐滴滴入液氮中骤冷得到冷冻微球，将冷冻微球放入丙酮溶液中，真空干燥至丙酮溶液完全挥发得到陶瓷小球；陶瓷小球在400～600℃烧结0.5～1.5h，再900～1100℃烧结2～6h，得到正硅酸锂氚增殖陶瓷小球。本发明利用海藻酸锂有效抑制烧结过程中锂的挥发，制备出物相纯度高的陶瓷小球，陶瓷小球压碎载荷远远超过氚增殖陶瓷小球的性能指标要求，其密度也达到相关指标，满足对氚增殖陶瓷小球的相关性能指标。

技术研发人员：耿润泽,胡劲,王开军,张维钧,吴舟,李恋,罗庆越
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14