本发明属于化学气相沉积法制备连续防辐射纤维领域，具体涉及一种cvd法制备钨硼防辐射纤维的装置及方法。
背景技术：
核能在世界能源构成中占有重要地位，作为核燃料循环中的重要环节，乏燃料后处理受到了越来越多的关注。职业人员在作业环境及其他带有辐射的环境中从事操作、清洗、检修等作业时会受到中子和γ射线辐射照射，上述低能辐射对人们的身体健康带来巨大危害。防辐射服的穿戴可有效减少人员受辐射剂量，目前应用最为广泛的防辐射材料为含有轻元素及重金属元素的聚合物纤维，该类纤维经针织制备成针织物、机织物以及非织造布等，具有一定的防辐射功能。但由于聚合物纤维中重金属及截面大的轻元素的含量低(40wt％～50wt％)，导致对中子的吸收效率低，远没有达到人们对中子辐射防护的要求，该类纤维的强度差使得防辐射制品的使用寿命大大降低，且多数防护服都是针对单一射线进行屏蔽，几乎没有能够综合屏蔽防护中子及γ射线且耐用性能良好的防护服。考虑到硼可对热中子进行屏蔽，而钨可对低能γ射线进行屏蔽。因此，研制具有综合防护效应的高强度钨硼纤维成为防辐射制品研发重点。
技术实现要素：
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种cvd法制备钨硼防辐射纤维的装置及方法，该制备装置结构简单、占地空间小、操作方便以及成本低等特点，该方法制备的钨硼纤维具有可编织性，w/b含量可根据不同辐射条件需求进行调节。
本发明的技术方案是：
一种cvd法制备钨硼防辐射纤维的装置，包括放丝装置、反应器和收丝装置，钨丝卷绕于放丝装置上，钨丝的一端穿过反应器连至收丝装置，反应器由上穿丝装置、反应管和下穿丝装置组成，具体结构如下：
上穿丝装置一端中心处上穿丝孔，上穿丝装置的另一端通过上锥形磨口连接反应管上端，上穿丝装置的侧面设有上穿丝装置进气口；下穿丝装置一端中心处为下穿丝孔，下穿丝装置的另一端通过下锥形磨口连接反应管下端，下穿丝装置的侧面设有下穿丝装置进气口；反应管上下两端分别为与上锥形磨口相连通的上石英磨口、与下锥形磨口相连通的下石英磨口。
所述的cvd法制备钨硼防辐射纤维的装置，反应管由三个反应段组成，由上至下依次为钨丝清洗段、硼沉积段和连续降温段，钨丝清洗段、硼沉积段和连续降温段均为石英玻璃管，硼沉积段的上部设有硼沉积段进气口，连续降温段的上部及中部设有上连续降温段进气口、下连续降温段进气口，连续降温段的下部设有尾气排放口。
所述的cvd法制备钨硼防辐射纤维的装置，所有进气口均为螺旋状结构的石英玻璃管组成，所有进气口均安装调流阀和气体过滤装置，调流阀用于调节气体流量，过滤装置用于过滤气体以及原料气体中的固体颗粒。
所述的cvd法制备钨硼防辐射纤维的装置，上穿丝装置由石英玻璃制成，其一端中心处为直径0.5mm～1mm上穿丝孔，上穿丝孔长度20mm，上穿丝装置的另一端为长度100mm的上锥形磨口；下穿丝装置由石英玻璃制成，其一端中心处为直径0.5mm～1mm下穿丝孔，下穿丝孔长度20mm，下穿丝装置的另一端为长度100mm的下锥形磨口。
所述的cvd法制备钨硼防辐射纤维的装置，反应管由800mm长的石英玻璃管制成，其中：钨丝清洗段石英玻璃管的内径为25mm，长度为200～300mm；硼沉积段石英玻璃管的内径25mm，长度为300～400mm；连续降温段的内径为25mm，长度为100～200mm。
一种cvd法制备钨硼防辐射纤维的方法，采用化学气相沉积法，将直径为10μm～15μm的钨丝穿过反应管，通过直流电源对钨丝加热，在钨丝表面沉积厚度为10μm～20μm的单质硼。
所述的cvd法制备钨硼防辐射纤维的方法，包括如下步骤：
(1)连接反应管与上穿丝装置、下穿丝装置，上穿丝装置、下穿丝装置与反应管紧密连接；
(2)将钨丝盘固定在放丝装置上，钨丝的一端由上穿丝孔进入、下穿丝孔穿出，并粘接在收丝装置上；
(3)从上穿丝装置进气口和下穿丝装置进气口通入高纯氩气，排空反应器内的空气，通入氩气的流量为0.5～3l/min，通入时间为8～15min；
(4)反应器内的空气排除后，从上穿丝装置进气口和下穿丝装置进气口分别通入氢气，上穿丝装置进气口通入氢气的流量0.1～0.5l/min，下穿丝装置进气口通入氢气的流量0.1～0.2l/min；
(5)硼沉积段的上部硼沉积段进气口通入三氯化硼、氢气和氩气的混合气体，用于硼的沉积；
(6)连续降温段的上连续降温段进气口、下连续降温段进气口分别通入氢气，用于实现连续降温，连续降温段的上部通入氢气流量为0.2～0.5l/min，连续降温段的中部通入氢气流量0.5～1l/min；
(7)启动收丝装置，收丝装置的收丝轮转速为3～10rpm；
(8)启动直流电源对钨丝进行加热，控制钨丝清洗段的温度在500～800℃、硼沉积段的温度控制在1100～1350℃，连续降温段的温度控制在1250±30℃～300±30℃之间；
(9)各段温度达到规定范围5～15min之后，正式开始收丝。
所述的cvd法制备钨硼防辐射纤维的方法，步骤(5)混合气体中，按体积百分比计，三氯化硼30％～40％，氢气30％～40％，余量为氩气，混合气体的流量为1.5l/min～3l/min。
本发明的设计思想是：
本发明提供一种高温下成型且w/b含量连续可调的防辐射纤维制备方法，纯钨芯沉积b涂层可提高纤维中防辐射元素的纯度，元素含量可根据不同防辐射需求连续可调；高温下沉积可提高纤维的强度和耐用性，使其具有良好的编织性，可提升防护服的防护效果和使用寿命。
本发明具有如下优点和有益效果：
1、本发明对连续b纤维反应容器的进气形式及结构进行了设计，使得各工艺在同一个石英玻璃管内进行，提高了纤维的性能及稳定性，节约了装置的制备成本，降低了反应装置的制备难度，缩短了制备工艺流程，提高生产效率。
2、本发明工艺方法制备的钨硼防辐射纤维具有较高的力学性能，而且性能稳定，具有一定的可编织性能。
3、传统聚合物纺丝纤维重金属元素与硼的含量约为40wt％～50wt％，而本发明cvd法制备钨芯防辐射硼纤维，w/b防辐射纤维组成元素有且只有w/b两种元素，w/b含量占纤维含量100％，对热中子、快中子或剂量较大中子流的防护具有更高的吸收效率。
4、本发明cvd法制备钨芯防辐射硼纤维，根据防辐射需求，w/b含量可调。w/b防辐射纤维直径40μm～50μm，具有较高的强度，目前纤维强度为2600mpa～3200mpa。
附图说明
图1为cvd法制备钨硼防辐射纤维装置示意图。
图2为钨硼防辐射纤维表面(a)以及截面(b)微观结构。
图中：1、放丝装置，2、钨丝，3、上穿丝装置，31、上穿丝孔，32、上锥形磨口，4、上穿丝装置进气口，5、反应管，51、钨丝清洗段，52、硼沉积段，53、连续降温段，54、上石英磨口，55、下石英磨口，6、硼沉积段进气口，7、上连续降温段进气口，8、下连续降温段进气口，9、尾气排放口，10、下穿丝装置，101、下穿丝孔，102、下锥形磨口，11、下穿丝装置进气口，12、收丝装置。
具体实施方式
如图1所示，本发明cvd法制备钨硼防辐射纤维的装置，主要包括放丝装置1、反应器和收丝装置12，钨丝2卷绕于放丝装置1上，钨丝2的一端穿过反应器连至收丝装置12，反应器由上穿丝装置3、反应管5和下穿丝装置10组成，具体结构如下：
上穿丝装置3由石英玻璃制成，其一端中心处为直径0.5mm～1mm上穿丝孔31，上穿丝孔31长度20mm，上穿丝装置3的另一端为长度100mm的上锥形磨口32，用于连接反应管5，上穿丝装置3的侧面设有上穿丝装置进气口4。下穿丝装置10由石英玻璃制成，其一端中心处为直径0.5mm～1mm下穿丝孔101，下穿丝孔101长度20mm，下穿丝装置10的另一端为长度100mm的下锥形磨口102，用于连接反应管5，下穿丝装置10的侧面设有下穿丝装置进气口11。
反应管5由800mm长的石英玻璃管制成，其上下两端分别为与上锥形磨口32相连通的上石英磨口54、与下锥形磨口102相连通的下石英磨口55。反应管5由三个反应段组成，由上至下依次为钨丝清洗段51、硼沉积段52和连续降温段53，钨丝清洗段51、硼沉积段52和连续降温段53均为石英玻璃管，其中：钨丝清洗段51石英玻璃管的内径为25mm，长度为200～300mm；硼沉积段52石英玻璃管的内径25mm，长度为300～400mm，硼沉积段52的上部设有硼沉积段进气口6；连续降温段53的内径为25mm，长度为100～200mm，连续降温段53的上部及中部设有上连续降温段进气口7、下连续降温段进气口8，连续降温段53的下部设有尾气排放口9。
本发明中，所有进气口均为螺旋状结构的石英玻璃管组成，所有进气口均安装调流阀和气体过滤装置，调流阀用于调节气体流量，过滤装置用于过滤气体以及原料气体中的固体小颗粒。
下面结合实施例和附图对本发明做更进一步的解释，以下实施例仅旨在说明，不应被视为对本发明范围的限制。
实施例
如图1所示，本实施例中，采用化学气相沉积法(chemicalvapordeposition,cvd)，将直径为13微米(μm)的钨丝穿过直径为25mm、长度为800mm的反应管，通过直流电源对钨丝加热，加热到一定温度后在钨丝表面沉积单质硼，具体步骤如下：
(1)连接反应管5与上穿丝装置3、下穿丝装置10，上穿丝装置3、下穿丝装置10与反应管5紧密连接。
(2)将钨丝盘固定在放丝装置1上，钨丝2的一端由上穿丝孔31进入、下穿丝孔101穿出，并粘接在收丝装置12上。
(3)从上穿丝装置进气口4和下穿丝装置进气口11通入高纯氩气(体积纯度99.999％)，排空反应器内的空气，通入氩气的流量为1.5l/min，通入时间为10min；
(4)反应器内的空气排除后，从上穿丝装置进气口4和下穿丝装置进气口11分别通入氢气，上穿丝装置进气口4通入氢气的流量0.3l/min，下穿丝装置进气口11通入氢气的流量0.15l/min。
(5)硼沉积段52的上部硼沉积段进气口6通入三氯化硼、氢气和氩气的混合气体，三氯化硼、氢气和氩气的体积百分比分别为30％、30％、40％，用于b的沉积，硼沉积段52的上部硼沉积段进气口6通入混合气体的流量为1.8l/min。
(6)连续降温段53的上连续降温段进气口7、下连续降温段进气口8分别通入氢气，用于实现连续降温，连续降温段53的上部通入氢气流量为0.27l/min，连续降温段53的中部通入氢气流量0.6l/min。
(7)启动收丝装置12，收丝装置12的收丝轮转速为5.5rpm。
(8)启动直流电源对钨丝2进行加热，控制钨丝清洗段51的温度在750℃±30℃、硼沉积段52的温度控制在1250℃±30℃，连续降温段53的温度控制在1250±30℃～300℃±30℃之间。
(9)各段温度达到10min之后，获得钨硼防辐射纤维直径稳定在50μm±2μm后收丝。
如图2(a)-(b)所示，钨硼防辐射纤维的表面以及截面微观结构，本实施例中，钨硼防辐射纤维的性能指标如下：纤维室温抗拉强度大于2950mpa，连续长度大于200m。
实施例结果表明，本发明方法可改善钨硼纤维力学性能且能够降低纤维内部及表面缺陷的出现，使得纤维性能更加稳定，降低钨/硼防辐射纤维内部的残余应力。
1.一种cvd法制备钨硼防辐射纤维的装置，其特征在于，包括放丝装置、反应器和收丝装置，钨丝卷绕于放丝装置上，钨丝的一端穿过反应器连至收丝装置，反应器由上穿丝装置、反应管和下穿丝装置组成，具体结构如下：
上穿丝装置一端中心处上穿丝孔，上穿丝装置的另一端通过上锥形磨口连接反应管上端，上穿丝装置的侧面设有上穿丝装置进气口；下穿丝装置一端中心处为下穿丝孔，下穿丝装置的另一端通过下锥形磨口连接反应管下端，下穿丝装置的侧面设有下穿丝装置进气口；反应管上下两端分别为与上锥形磨口相连通的上石英磨口、与下锥形磨口相连通的下石英磨口。
2.按照权利要求1所述的cvd法制备钨硼防辐射纤维的装置，其特征在于，反应管由三个反应段组成，由上至下依次为钨丝清洗段、硼沉积段和连续降温段，钨丝清洗段、硼沉积段和连续降温段均为石英玻璃管，硼沉积段的上部设有硼沉积段进气口，连续降温段的上部及中部设有上连续降温段进气口、下连续降温段进气口，连续降温段的下部设有尾气排放口。
3.按照权利要求2所述的cvd法制备钨硼防辐射纤维的装置，其特征在于，所有进气口均为螺旋状结构的石英玻璃管组成，所有进气口均安装调流阀和气体过滤装置，调流阀用于调节气体流量，过滤装置用于过滤气体以及原料气体中的固体颗粒。
4.按照权利要求1所述的cvd法制备钨硼防辐射纤维的装置，其特征在于，上穿丝装置由石英玻璃制成，其一端中心处为直径0.5mm～1mm上穿丝孔，上穿丝孔长度20mm，上穿丝装置的另一端为长度100mm的上锥形磨口；下穿丝装置由石英玻璃制成，其一端中心处为直径0.5mm～1mm下穿丝孔，下穿丝孔长度20mm，下穿丝装置的另一端为长度100mm的下锥形磨口。
5.按照权利要求1所述的cvd法制备钨硼防辐射纤维的装置，其特征在于，反应管由800mm长的石英玻璃管制成，其中：钨丝清洗段石英玻璃管的内径为25mm，长度为200～300mm；硼沉积段石英玻璃管的内径25mm，长度为300～400mm；连续降温段的内径为25mm，长度为100～200mm。
6.一种使用权利要求1至5之一所述装置的cvd法制备钨硼防辐射纤维的方法，其特征在于，采用化学气相沉积法，将直径为10μm～15μm的钨丝穿过反应管，通过直流电源对钨丝加热，在钨丝表面沉积厚度为10μm～20μm的单质硼。
7.按照权利要求6所述的cvd法制备钨硼防辐射纤维的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)连接反应管与上穿丝装置、下穿丝装置，上穿丝装置、下穿丝装置与反应管紧密连接；
(2)将钨丝盘固定在放丝装置上，钨丝的一端由上穿丝孔进入、下穿丝孔穿出，并粘接在收丝装置上；
(3)从上穿丝装置进气口和下穿丝装置进气口通入高纯氩气，排空反应器内的空气，通入氩气的流量为0.5～3l/min，通入时间为8～15min；
(4)反应器内的空气排除后，从上穿丝装置进气口和下穿丝装置进气口分别通入氢气，上穿丝装置进气口通入氢气的流量0.1～0.5l/min，下穿丝装置进气口通入氢气的流量0.1～0.2l/min；
(5)硼沉积段的上部硼沉积段进气口通入三氯化硼、氢气和氩气的混合气体，用于硼的沉积；
(6)连续降温段的上连续降温段进气口、下连续降温段进气口分别通入氢气，用于实现连续降温，连续降温段的上部通入氢气流量为0.2～0.5l/min，连续降温段的中部通入氢气流量0.5～1l/min；
(7)启动收丝装置，收丝装置的收丝轮转速为3～10rpm；
(8)启动直流电源对钨丝进行加热，控制钨丝清洗段的温度在500～800℃、硼沉积段的温度控制在1100～1350℃，连续降温段的温度控制在1250±30℃～300±30℃之间；
(9)各段温度达到规定范围5～15min之后，正式开始收丝。
8.按照权利要求7所述的cvd法制备钨硼防辐射纤维的方法，其特征在于，步骤(5)混合气体中，按体积百分比计，三氯化硼30％～40％，氢气30％～40％，余量为氩气，混合气体的流量为1.5l/min～3l/min。
技术总结