微纖維玻璃棉輻照探究范文

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《玻璃纖維雜志》2016年第3期

摘要:

介紹用于核電行業(yè)高效粒子空氣過濾紙?jiān)牧衔⒗w維玻璃耐輻射性能的重要性，分析了微纖維玻璃的主要化學(xué)成分以及各成分對(duì)微纖維玻璃耐輻射性能的影響，通過實(shí)驗(yàn)探究了微纖維玻璃棉輻射性能的影響機(jī)理。

關(guān)鍵詞:

微纖維玻璃棉;核電站;輻照;濾紙

0前言

核電是將原子核裂變產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化為電能的過程。與火力發(fā)電相比，核電只需消耗很少的核燃料，就可以產(chǎn)生大量的電能，且每千瓦時(shí)電能的成本比火電站要低20%以上。同時(shí)核電是安全、清潔、低碳、可靠的能源。為了響應(yīng)節(jié)能、環(huán)保、減排的政策要求，中國將大力發(fā)展清潔電力。目前我國核電站總體國產(chǎn)化率約為50%～60%，規(guī)劃到2020年國產(chǎn)化率大于80%。如果按核島、常規(guī)島、輔助設(shè)備國產(chǎn)化率分別為70%、80%、90%計(jì)算，那么國內(nèi)核電設(shè)備制造商將分享3200多億元的市場(chǎng)，市場(chǎng)潛力巨大。美國ASME核電規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)AG－1《核電廠空氣和氣體處理》［1］，對(duì)核設(shè)施中核安全有關(guān)的空氣和氣體處理系統(tǒng)使用的部件提出了性能、設(shè)計(jì)、構(gòu)造、驗(yàn)收試驗(yàn)和設(shè)備質(zhì)量保證的最低要求。其中中效過濾器卷(FB卷)提出了中效過濾器(過濾器效率40%～99%)在核設(shè)施中性能、設(shè)計(jì)、構(gòu)造、驗(yàn)收試驗(yàn)和設(shè)備質(zhì)量保證方面的要求。高效粒子空氣過濾器卷(FC卷)提出了高效過濾器在核設(shè)施中，性能、設(shè)計(jì)、構(gòu)造、驗(yàn)收試驗(yàn)和設(shè)備質(zhì)量保證方面的要求。國內(nèi)河南核凈有限公司起草的GB/T17939《核級(jí)高效過濾器》［2］基本由美國ASME標(biāo)準(zhǔn)AG－1的FC卷翻譯而來。FC卷中強(qiáng)制性附錄FC－Ⅰ規(guī)定了用于制造FC卷中所述高效粒子空氣過濾器的防火型高效濾紙的要求，明確規(guī)定了濾紙的形狀和尺寸、物理化學(xué)、制造工藝的要求，指出核電站高效過濾器防火型高效濾紙工作環(huán)境的輻照條件為γ射線輻照劑量率不超過2.5×104Gy/h，累計(jì)劑量達(dá)到6.0×105～6.5×105Gy，并對(duì)濾紙輻照前后的相關(guān)性能做出了明確規(guī)定，其中要求濾紙?jiān)谳椪蘸罂v橫向強(qiáng)度衰減小于15%。玻纖濾紙由微纖維玻璃棉經(jīng)濕法抄造而成，其主要生產(chǎn)工藝有制漿、抄紙、施膠、烘干、卷取。濾紙的縱橫向強(qiáng)度主要取決于微纖維玻璃棉纖維之間的相互纏繞及粘結(jié)劑。因此，微纖維玻璃棉在輻照后的性能改變，是保證產(chǎn)品耐輻照的關(guān)鍵所在。

1微纖維棉玻璃的化學(xué)成分

微纖維棉玻璃的成分構(gòu)成主要為硅酸鹽玻璃，其主要成分為SiO2、Al2O3、CaO、MgO、BaO、ZnO、TiO2、Na2O、K2O、Li2O、B2O3等氧化物，如表1所示。其中SiO2是玻璃形成骨架的主體，它的作用是提高玻璃的熔制溫度、粘度、化學(xué)穩(wěn)定性與穩(wěn)定性、硬度和機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)它又能降低玻璃的熱膨脹系數(shù)和密度。Al2O3屬于玻璃的中間氧化物。Al2O3在玻璃中，提高了玻璃的熔化溫度和玻璃粘度，也提高了玻璃的強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性，且加快玻璃纖維成型時(shí)的硬化速度，對(duì)纖維成形非常有利。CaO是玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)外氧化物，其主要作用是穩(wěn)定劑，在纖維成型時(shí)，可以增加纖維成形的硬化速度，提高纖維產(chǎn)量。MgO、BaO、TiO2同CaO一樣，為玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)外氧化物，玻璃中以3.5%以下的MgO替代部分CaO，可以使玻璃成型時(shí)硬化速度變慢，降低纖維加工時(shí)玻璃熔化的析晶傾向，提高玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。Na2O、K2O、Li2O同樣屬于玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)外氧化物，堿金屬離子(R+)離子居于玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的空穴中，R2O能使玻璃結(jié)構(gòu)中的O/Si比值增高，發(fā)生斷鍵，因此可以降低玻璃的粘度，是良好的玻璃熔化助溶劑，R2O可以增加玻璃的熱膨脹系數(shù)，降低玻璃的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度。B2O3也是玻璃的形成氧化物，它能降低玻璃膨脹系數(shù)，提高玻璃的熱穩(wěn)定性和化學(xué)性能，增加玻璃折射率和機(jī)械強(qiáng)度［3］。

2化學(xué)成分耐輻照性能分析材料

在射線的照射下，射線的入射粒子與材料晶格原子產(chǎn)生相互作用，它包括碰撞過程和微觀結(jié)構(gòu)演化過程，這將導(dǎo)致輻照腫脹和輻照生長等微觀結(jié)構(gòu)的變化，在缺陷符合時(shí)釋放出潛能。γ射線是材料輻照損失的重要因素。γ射線輻照損傷玻璃表現(xiàn)在體內(nèi)產(chǎn)生色心。色心的產(chǎn)生和玻璃的內(nèi)部缺陷有關(guān)，玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越密實(shí)，內(nèi)部缺陷越少，越有利于阻止色心的產(chǎn)生，其耐輻照性能就越好。通常通過引入高離子場(chǎng)強(qiáng)元素，以增強(qiáng)玻璃的網(wǎng)絡(luò)密實(shí)度、玻璃密度，改善其耐輻照性能［4-5］。中間體氧化物處于網(wǎng)絡(luò)空隙中，可以使玻璃密度上升。根據(jù)表1，中間體氧化物Al2O3、ZnO、TiO2的增加可提高結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，實(shí)現(xiàn)耐輻照性能的改善。網(wǎng)絡(luò)外體堿土金屬氧化物離子場(chǎng)強(qiáng)較大，具有吸引陽離子到自己周圍的能力，起到積聚網(wǎng)絡(luò)的作用。由表1可知，CaO、BaO、MgO、ZnO均為堿土金屬氧化物，其中BaO相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)最小。而網(wǎng)絡(luò)外體堿金屬氧化物的場(chǎng)強(qiáng)，從Li2O到Na2O再到K2O，逐步降低。因此，Na2O含量高于K2O含量將有助于提高玻璃的耐輻照性能［6］。

3微纖維玻璃棉耐輻照性能驗(yàn)證

綜合考慮各種氧化物的耐輻照性能、微纖維玻璃棉生產(chǎn)工藝要求、產(chǎn)品成本這幾方面因素，確定微纖維玻璃棉化學(xué)成分配方，并加工成微纖維玻璃棉。成分如表2所示。按照美國ASME核電規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)AG－1《核電廠空氣和氣體處理》中，F(xiàn)C卷中強(qiáng)制性附錄FC－Ⅰ的要求，將上述三種配方的微纖維玻璃棉經(jīng)過輻照劑量率不超過2.5×104Gy/h，累計(jì)劑量達(dá)到6.0×105～6.5×105Gy的γ射線照射，對(duì)比三種配方微纖維玻璃棉輻照前后實(shí)驗(yàn)室抄片的強(qiáng)度衰減，最終確定原料配方。主要設(shè)備和儀器:纖維標(biāo)準(zhǔn)解離器;電子天平;快速紙頁成型器;恒溫干燥箱;ZL－100A型紙與紙板抗張?jiān)囼?yàn)機(jī);輻照測(cè)試，南京輻照中心。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，配方1強(qiáng)度的衰減度低于強(qiáng)制性附錄FC－Ⅰ的要求，且為三種配方中性能最佳方案，固確定配方1為滿足美國ASME核電規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)AG－1中，F(xiàn)C卷中強(qiáng)制性附錄FC－Ⅰ要求的輻照環(huán)境中過濾紙生產(chǎn)的微纖維玻璃棉化學(xué)成分。

4結(jié)論

纖維玻璃的化學(xué)成分按照網(wǎng)絡(luò)形成體、網(wǎng)絡(luò)外體及中間體分類的不同，對(duì)纖維的耐輻照性能起著不同的作用，同時(shí)輻照源及輻照劑量的不同，會(huì)對(duì)纖維造成不同的損傷，也會(huì)對(duì)纖維玻璃的化學(xué)成分有不同的要求。

參考文獻(xiàn)：

［2］GB/T17939-2015，核級(jí)高效過濾器［S］．中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．

［3］張耀明，李巨白，姜肇中．玻璃纖維與礦物棉全書［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001．

［4］祖群，陳士潔，孔令珂．高強(qiáng)度玻璃纖維研究與應(yīng)用［J］．航空制造技術(shù)，2009(15):92-95．

［5］王琦．無機(jī)非金屬材料工藝學(xué)［M］．北京:中國建材工業(yè)出版社，2005．

［6］西北輕工業(yè)學(xué)院．玻璃工藝學(xué)［M］．北京:中國輕工業(yè)出版社，2006．

作者:嚴(yán)潔 王瑩 胡曉俠 陳陽 單位:中材科技股份有限公司