Способ нанесения боросиликатного покрытия на частицы гидрида титана
Владельцы патента RU 2572271:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова", г. Белгород (RU)
Изобретение относится к нанесению боросиликатного покрытия на частицы порошкообразного гидрида титана, применяемого в ядерной энергетике в качестве нейтронопоглощающего материала. Частицы гидрида титана обрабатывают сначала раствором, содержащим метилсиликанат натрия и воду, затем частицы высушивают и обрабатывают раствором, содержащим борную кислоту и воду, после чего частицы высушивают и проводят их термообработку при температуре 175-200°C с образованием на частицах боросиликатного покрытия. Обеспечивается увеличение температуры термического разложения гидрида титана до 585°С при сохранении удельного содержания водорода. 2 ил., 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу нанесения покрытия на частицы порошкообразного гидрида титана, и может быть использовано для повышения термической стабильности порошкообразного гидрида титана, применяемого в ядерной энергетике в качестве нейтронопоглощающего материала.
Известен способ обработки гидрида титана, заключающийся в его прогреве в среде водорода при температуре 250-600°С в течение 1-480 ч и давлении 1,5÷48 атм. В результате такой обработки температура пика, соответствующего максимальной скорости выделения водорода из образца при его нагреве с постоянной скоростью, составляет 505°С /Патент RU №2466929, 24.03.2011/. Недостатком данного способа является невысокая термическая стойкость гидрида титана и повышенная скорость выделения водорода при температуре свыше 500°С, что обусловлено растворимостью кислорода защитной оксидной пленки в титане.
Наиболее близким, принятым за прототип, к предлагаемому решению является способ нанесения медного покрытия на частицы порошкообразного гидрида титана, заключающийся в создании на поверхности порошкообразных частиц диффузионного барьера в виде покрытия, которое наносят из раствора, содержащего, г/л: сульфат меди 15-35, сигнетова соль 60-170, гидроксид натрия 15-50, карбонат натрия 3-35, формалин 6-16, тиосульфат натрия 0,003-0,01, хлорид никеля 2-3. Порошок гидрида титана заливается свежеприготовленным раствором: перемешивается магнитной мешалкой, фильтруется, промывается и сушится. При этом увеличивается температура термического разложения гидрида титана и снижается скорость выделения водорода. Начало и окончание процесса разложения гидрида титана с медным покрытием соответствует температурам 503,3 и 585,9°С, а максимальной скорости разложения отвечает температура 526,9°С /Патент RU №2459685, 14.02.2011/. Недостатком данного способа является недостаточное увеличение температуры термического разложения гидрида титана. Многокомпонентность состава раствора для осуществления способа усложняет технологию его нанесения, а наличие дополнительных примесей ограничивает применение гидрида титана в качестве нейтронопоглощающего материала.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение термической стойкости гидрида титана.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение температуры начала выделения водорода и снижение скорости выделения водорода из частиц порошкообразного гидрида титана, при неизменном содержании водорода в гидриде титана.
Для достижения технического результата предложен способ нанесения боросиликатного покрытия на частицы порошкообразного гидрида титана, включающий обработку частиц гидрида титана сначала раствором, содержащим метилсиликанат натрия и воду при следующем содержании (мас. %):
| метилсиликанат натрия | 5 |
| вода | 95 |
затем частицы высушивают и обрабатывают раствором, содержащим борную кислоту и воду при следующем содержании (мас. %):
| борная кислота | 5 |
| вода | 95 |
после чего частицы высушивают и проводят их термообработку при температуре 175-200°C с образованием на частицах боросиликатного покрытия.
Обработка порошкообразных частиц гидрида титана раствором метилсиликаната натрия приводит к образованию на их поверхности активных центров в виде силанольных (-OH) и силанолятных (Si-ONa) групп, по которым возможно дальнейшее модифицирование из водного раствора борной кислотой с образованием боросиликатного покрытия за счет хемосорбционных процессов с активированной поверхностью гидрида титана. Последующая термообработка модифицированных частиц гидрида титана при температуре 175-200°C приводит к оплавлению боросиликатного покрытия, его механической фиксации с поверхностью порошкообразных частиц гидрида титана по анкерному типу, созданию сплошности покрытия и образованию диффузионного барьера для выделения водорода. При этом наблюдается снижение скорости выделения водорода и увеличивается температура начала выделения водорода. Таким образом, существенно повышается термическая стойкость порошкообразного гидрида титана.
Пример. Нанесение боросиликатного покрытия на частицы порошкообразного гидрида титана проводилось следующим образом. Навеска порошкообразных частиц гидрида титана в количестве 5 г помещается в стеклянный стакан, заливается 50 мл свежеприготовленного раствора, содержащего (мас. %): метилсиликанат натрия 5; вода 95. С помощью магнитной мешалки производят перемешивание в течение 30 мин. После окончания перемешивания суспензия порошка переносится на стеклянный фильтр и откачивается вместе с осадком с помощью насоса Камовского. Оставшиеся на фильтре частицы гидрида титана затем высушиваются в вакуумном сушильном шкафу в течение 1 часа при температуре 105°C. Далее частицы гидрида титана помещаются в стеклянный стакан, заливаются 50 мл свежеприготовленного раствора, содержащего (% масс.): борная кислота 5; вода 95. С помощью магнитной мешалки производят перемешивание в течение 30 мин. После окончания перемешивания суспензия порошка переносится на стеклянный фильтр и откачивается вместе с осадком с помощью насоса Камовского. Оставшиеся на фильтре частицы гидрида титана затем высушиваются в вакуумном сушильном шкафу в течение 1 часа при температуре 105°C. Далее проводят термообработку модифицированных частиц гидрида титана в течение 2 часов при температуре 175°C. Достижение технического результата поясняется графическими материалами:
Фиг. 1 - термограмма DTG (скорость изменения массы) при скорости нагрева 2°C/мин исходного гидрида титана и гидрида титана с боросиликатным покрытием;
Фиг. 2 - кинетические кривые термического разложения исходного гидрида титана, гидрида титана с боросиликатным покрытием и гидрида титана с медным покрытием согласно прототипу.
Приведенные на фиг. 1 спектры термодесорбции водорода из образцов исходного гидрида титана и гидрида титана с боросиликатным покрытием, снятые в процессе нагрева в интервале температур от 100 до 800°C в среде аргона, свидетельствуют о различной термической устойчивости сравниваемых образцов в интервале температур от 400 до 700°C. Для образцов характерен эндотермический эффект разложения, наблюдаемый на спектрах термодесорбции, при этом:
1) начало и окончание процесса разложения исходного гидрида титана соответствует температурам 433 и 542°C соответственно, а максимальной скорости разложения соответствуют два пика при 462,0°C и 492,0°C;
2) начало и окончание процесса разложения гидрида титана с боросиликатным покрытием соответствует температурам 585 и 699°C, а максимальной скорости разложения отвечает температура 635°C.
С использованием данного способа пик термодесорбции водорода из гидрида титана с боросиликатным покрытием, соответствующий началу выделения водорода, по сравнению с пиком термодесорбции водорода из исходного гидрида титана без боросиликатного покрытия смещен на 152°C в сторону более высоких температур, а по сравнению с прототипом смещен на 81,7°C в сторону более высоких температур.
С использованием данного способа пик термодесорбции водорода из гидрида титана с боросиликатным покрытием, соответствующий максимальной скорости выделения водорода, по сравнению с пиком термодесорбции водорода из исходного гидрида титана без боросиликатного покрытия смещен на 172,7°C в сторону более высоких температур, а по сравнению с прототипом смещен на 107,8°C в сторону более высоких температур.
С использованием данного способа, представленные на фиг. 2 кинетические кривые термического разложения гидрида титана с боросиликатным покрытием на начальном участке расположены ниже соответствующих кривых термического разложения исходного гидрида титана и гидрида титана с медным покрытием (прототип), что свидетельствует о снижении скорости выделения водорода из гидрида титана с боросиликатным покрытием.
С использованием данного способа удельное содержание водорода в гидриде титана с боросиликатным покрытием не изменяется по сравнению с исходным гидридом титана. Как видно из таблицы, в исходном гидриде титана удельное содержание водорода составило 404,4 см3/г, а после нанесения боросиликатного покрытия - 403,1 см3/г.
Способ нанесения боросиликатного покрытия на частицы порошкообразного гидрида титана, характеризующийся тем, что частицы обрабатывают сначала раствором, содержащим метилсиликанат натрия и воду при следующем содержании, мас. %:
| метилсиликанат натрия | 5 |
| вода | 95 |
затем частицы высушивают и обрабатывают раствором, содержащим борную кислоту и воду при следующем содержании, мас. %:
| борная кислота | 5 |
| вода | 95 |
после чего частицы высушивают и проводят их термообработку при температуре 175-200°C с образованием на частицах боросиликатного покрытия.
