中子屏蔽用铝基复合材料设计及其与Al_2O_3陶瓷钎焊工艺研究

【摘要】铝基复合材料作为兼具中子、γ射线综合屏蔽性能和良好力学性能的结构功能一体化材料,与工程陶瓷间的可靠连接是其获得应用的前提。本文选取了W/Al和ZrH2/Al两种铝基复合材料,采用MNCP软件模拟计算了铝基复合材料抗屏蔽增强相W、ZrH2的质量分数、材料厚度和中子能量对中子透射系数的影响规律,为选定70%Wp/Al复合材料作为新型屏蔽复合材料提供了理论依据；同时还对70%Wp/Al复合材料与Al2O3陶瓷的可焊性进行了研究,通过磁控溅射镀膜法在70%Wp/Al复合材料和Al2O3陶瓷表面添加金属过渡层以改善其表面润湿性,并选用80wt%Au-20wt%Sn钎料在340℃下进行保护气氛钎焊试验,研究了过渡层种类、钎焊温度以及过渡层厚度对钎焊接头质量的影响。研究结果表明：(1)增加W、ZrH2的质量分数,对100keV的中能中子有明显的慢化效果,但对14.1MeV快中子的慢化效果不明显。(2)增加材料厚度,45%W/Al复合材料和45%ZrH2/Al复合材料均对100keV中能中子和14.1MeV快中子有显著的慢化效果。(3)中子透射系数受中子能量影响波动较大,45%ZrH2/Al复合材料和45%W/Al复合材料的中子透射系数均在10keV～1MeV能区内出现“凹坑”现象,且45%W/Al复合材料在100eV～1keV还旱现出“半凹坑”现象。另外,对于1MeV上的快中子,45%W/Al复合材料比45%ZrH2/Al复合材料的慢化能力更强。(4)对高质量分数70%Wp/Al复合材料和Al2O3陶瓷表面磁控溅射Ni/Au复合层后,通过气氛钎焊的方法可以实现良好的连接,且钎焊接头的抗剪强度可达16.94MPa。(5)断裂主要发生在钎焊接头的Al203陶瓷与Au-Sn钎料界面处。Ni层厚度和Au层厚度是影响A;203陶瓷与Au-Sn钎料间连接强度的两个重要因素,其合适的取值范围分别为0.4～0.8μm和1.3μm～2.5μm。而Ni、Al和Au、Al间的冶金结合是保证Ni层偏薄时,Wp/Al复合材料与Au-Sn钎料连接良好的原因。另外,适当增加Au层厚度或者减少Ni层厚度有助于提高钎焊接头的抗剪强度,同时引起焊缝不同程度的膨胀。
【作者】汪宇羿；
【导师】毛昌辉；
【作者基本信息】北京有色金属研究总院，材料科学与工程，2014，硕士
【关键词】中子屏蔽；MNCP模拟；铝基复合材料；Al2O3陶瓷；钎焊；Ni/Au过渡层；

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