一種高溫直接法制備氘化鋰的方法
【專利摘要】本發明涉及一種高溫直接法制備氘化鋰的方法，屬于材料科學與核技術交叉領域。本發明在高溫下讓金屬鋰與氘氣反應生成氘化鋰。本發明解決了氘化鋰工業化規模制備技術和制備純度問題，無復雜生產裝置，所需制備裝置簡單易購，在現有工廠條件下即可實現氘化鋰生產線的安全搭建；制備工藝簡單易操作，制備過程無高溫加減壓裝置，并且有惰性氣體保護，安全可靠；產品產量和純度較好，產品穩定性好，可以長期貯存；生產過程無“三廢”產出，對人體和環境無害，環保綠色，這對工業化大規模安全制備高純度氘化鋰及其規模應用具有重大意義。
【專利說明】一種高溫直接法制備氘化鋰的方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種高溫直接法制備氘化鋰的方法，屬于材料科學與核技術交叉領域。

【背景技術】
[0002]兩個較輕的能量足夠高的核迎面相遇，克服庫侖斥力而相當緊密地聚集在一起，在融合過程中產生質量虧損而釋放出巨大的能量，這個反應叫做核聚變。核聚變應用的成功案例是氫彈，中國第一顆氫彈的主要裝藥就是氘化鋰。氘化鋰用作氫彈裝料時，Ikg爆炸力與50000t三硝基甲苯相當。氘化鋰在核研究方面的研究應用已經有幾十年的歷史。
[0003]過去很長一段時間以來，由于氘化鋰一直應用于核聚變方面研究，因此需求量和使用量都比較小。然而，進入二十一世紀之后，隨著氘的用途的越來越廣泛，氘化鋰的應用范圍也在逐漸被擴大。比如，從化學的角度考慮，氘化鋰儲氘量豐富，氘化鋰含氘量達22.48%, Ikg Li可以反應吸收290g氣,更為優異的是,不同于鎂、鈦等的氣化物,氣化鋰是唯一能生成穩定得足以熔融而不分解的氘化物堿金屬，這使得氘化鋰在儲氘方面有著很好的應用前景；又比如，Ikg鋰燃燒后可釋放42998kJ的熱量，是用來作為火箭燃料的最佳金屬之一，氘化鋰擁有很高的化學能量水平，有望作為含能組分在猛炸藥、推進劑等中添加使用，以大大增強含能材料的做功能力。將氘化鋰應用于含能材料研究，這意味著對氘化鋰的儲氘品質提出更高要求，也意味著氘化鋰未來將擁有很大的需求量。
[0004]在過去的研究報道之中，氘化鋰多采用在一定加熱溫度條件下直接通入氘氣進行制備，這是制備氘化鋰的最為便捷的方式，但是由于氘氣與鋰的反應程度不夠，存在著氘化鋰缺陷多、氘/鋰原子比過小、吸氘量不足等問題，這也為氘化鋰的規模研究與應用造成了障礙。因此，創新和改進氘化鋰制備工藝，快速、經濟、高效地制備高純度、低缺陷的氘化鋰，將為氘化鋰的快速發展應用奠定基礎，具有重大意義和價值。


【發明內容】

[0005]本發明目的是為了解決現有方法制備的氘化鋰缺陷多、氘/鋰原子比過小、吸氘量不足的問題，提供的一種高溫直接法制備氘化鋰的方法。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案實現的。
[0007]—種高溫直接法制備氘化鋰的方法，具體步驟如下:
[0008]步驟一、在惰性氣體保護下，將塊狀金屬鋰置于耐高溫敞口槽內，將耐高溫敞口槽置于敞口耐高溫容器中；
[0009]步驟二、在惰性氣體保護下，將步驟一的整體放入高溫加熱爐艙內，迅速關閉爐艙；通過抽真空與通入惰性氣體，使高溫加熱爐艙內的氣體完全排出；
[0010]步驟三、通過抽真空與通入氘氣，置換出高溫加熱爐艙內的惰性氣體，同時使高溫加熱爐艙內處于負壓狀態；
[0011]步驟四、保持步驟三的負壓狀態，以10~30°C /min的升溫速率將溫度升至120~190°C ;然后通入氘氣，恒定溫度下反應一段時間后；持續通入氘氣，同時以3~15°C /min的速度升溫至150~300°C ;持續通入氘氣，再以5~20°C /min的升溫速度將爐艙溫度升至250~600°C，停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，直至氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡；
[0012]步驟五、將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出爐艙內的氘氣，得到氘化鋰；
[0013]步驟四所述的反應一段時間是指反應時間不得少于15min ；
[0014]所述步驟四結束后通過再次升溫能夠對氘化鋰的反應程度進行檢查，具體方法為:待氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡后，再次升溫5~35°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明爐內氣化反應達到終點；
[0015]有益效果
[0016]1、本發明的一種高溫直接法制備氘化鋰的方法，無復雜生產裝置，所需制備裝置簡單易購，在現有工廠條件下即可實現氘化鋰生產線的安全搭建；制備工藝簡潔容易操作，制備過程無高溫加減壓裝置，并且有惰性氣體保護，安全可靠，可以實現工業化生產；
[0017]2、本發明的一種高溫直接法制備氘化鋰的方法，制的的產品產率和純度較好，該方法制備氘化鋰的轉化率為99.00~99.99%，純度為99.00~99.99% ；
[0018]3、本發明的一種高溫直接法制備氘化鋰的方法，由于不存在與空氣的直接接觸，產品穩定性好，磨粉后真空包裝可以長久貯存；生產過程無“三廢”產出，對人體和環境無害，環保綠色。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為氘化鋰制備系統裝置結構示意圖。

【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和實施例對本發明的內容作進一步描述:
[0021]實施例1
[0022]在氬氣保護下，將純度為99.99%的鋰塊切割成粒徑為5mm的小塊，稱取308g置于敞口石英槽內，將石英槽置于石英制備的玻璃管內，將石英管置于高溫加熱爐艙內并迅速關閉爐艙(如圖1所示)；通入氬氣置換出艙內氣體，將艙內壓力抽至負壓為0.021MPa，通入99.999%的高純氘氣，再次抽至真空度為0.014MPa，反復操作2次；保持上述真空度，以15°C /min的升溫速率快速將溫度升至175°C ;然后以5441ml/min的流速通入氘氣，反應30min ;繼續以5°C /min的升溫速率經6min將溫度升至195°C，反應50min ;控制氘氣流速不變，并以10°C /min的速度經45min將爐艙內溫度升至502°C后停止升溫，恒定溫度和氘氣流速，繼續反應41min后，氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡；此時再次升溫28°C，氘氣壓力表出現輕微波動，保持該溫度和氘氣流速不變，繼續反應15min后，再次升溫20°C，氘氣壓力表無波動，表明爐內氘化反應達到終點，共通入181.66g氘氣；將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出爐艙內氘氣，在氬氣保護下，將試管取出，得氘化鋰(鋰塊相互粘結在一起，表面爆裂，裂口縱橫交錯，質地脆硬)；在氬氣保護下研磨成細粉，過300目篩，即得到相應粒徑的486.67g氘化鋰粉，進行真空包裝可得到能安全貯存的產品；該方法制備氘化鋰的轉化率為99.95%，氘化鋰純度為99.97%。
[0023]實施例2
[0024]在氬氣保護下，將純度為99.99%的鋰塊切割成粒徑為1mm的小塊，稱取703g置于敞口石英槽內，將石英槽置于石英制備的玻璃管內，將石英管置于高溫加熱爐艙內并迅速關閉爐艙(如圖1所示)；通入氬氣置換出艙內氣體，將艙內壓力抽至負壓為0.020MPa,通入99.999%的高純氘氣，再次抽至真空度為0.015MPa，反復操作3次；保持上述真空度，以10°C /min的升溫速率快速將溫度升至167°C ;然后以11279ml/min的流速通入氘氣，反應42min ;持續通入氘氣，以3°C /min的升溫速率經2Imin將溫度升至216°C，反應50min ；控制氘氣流速不變，并以8°C /min的速度經59min將爐艙內溫度升至537 °C后停止升溫，恒定溫度和氘氣流速，繼續反應32min后，氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡；此時再次升溫18°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明爐內氘化反應達到終點，共通入410.84g氘氣；將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出爐艙內氘氣，在氬氣保護下，將試管取出，得氘化鋰(鋰塊相互粘結在一起，表面爆裂，裂口縱橫交錯，質地脆硬)；在氬氣保護下研磨成細粉，過300目篩，即得到相應粒徑的1110.86g氘化鋰粉，進行真空包裝可得到能安全貯存的產品；該方法制備氘化鋰的轉化率為99.96%，氘化鋰純度為99.97%。
[0025]實施例3
[0026]在氬氣保護下，將純度為99.99%的鋰塊切割成粒徑為2mm的小塊，稱取1253g置于敞口石英槽內，將石英槽置于石英制備的玻璃管內，將石英管置于高溫加熱爐艙內并迅速關閉爐艙；通入氬氣置換出艙內氣體，將艙內壓力抽至負壓為0.018MPa，通入99.999%的高純氘氣，再次抽至真空度為0.013MPa,反復操作3次；保持上述真空度，以20°C /min的升溫速率將溫度升至161°C ;然后以18680ml/min的流速通入氘氣，反應45min ;持續通入氘氣，以10°C /min的升溫速率經4min將溫度升至185°C后，反應70min ;控制氘氣流速不變，并以15°C /min的速度經35min將爐艙內溫度升至574°C后停止升溫，恒定溫度和氘氣流速，繼續反應64min后，氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡；此時再次升溫12°C,氣氣壓力表仍然無波動,表明爐內氣化反應達到終點,共通入727.18g氣氣；將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出爐艙內氘氣，在氬氣保護下，將氘化鋰(鋰塊相互粘結在一起，表面爆裂，裂口縱橫交錯，質地脆硬)取出；在氬氣保護下研磨成細粉，過400目篩，即得到相應粒徑的1977.20g氘化鋰粉，進行真空包裝可得到能安全貯存的產品；該方法制備氘化鋰的轉化率為99.58%，氘化鋰純度為99.73%。
[0027]實施例4
[0028]在氬氣保護下，將純度為99.99%的鋰塊切割成粒徑為18mm的小塊，稱取2849g置于敞口不銹鋼槽內，將該槽置于不銹鋼制管內，并置于高溫加熱爐艙內，迅速關閉爐艙；通入氬氣置換出艙內氣體，將艙內壓力抽至負壓為0.018MPa，通入99.999%的高純氘氣，再次抽至真空度為0.020MPa，反復操作3次；保持上述真空度，以28°C /min的升溫速率將溫度升至146°C ;然后以16190ml/min的流速通入氘氣，反應52min ;持續通入氘氣，以15°C /min的升溫速率經5min將溫度升至193°C后，反應120min ;控制氘氣流速不變，然后以20°C /min的速度經22min將爐艙內溫度升至528°C后停止升溫，恒定溫度和氘氣流速，繼續反應70min后，氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡；此時再次升溫35°C，氘氣壓力表出現波動，繼續通氘氣反應27min后，再次升溫10°C，氘氣壓力表無再波動，表明爐內氘化反應達到終點，共通入1653.71g氘氣；將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出爐艙內氘氣，在氬氣保護下，將氘化鋰在爐艙內取出，即得到4499.76g氘化鋰；該方法制備氘化鋰的轉化率為99.83%，氘化鋰純度為99.89%。
[0029]實施例5
[0030] 在氬氣保護下，將純度為99.99%的鋰塊切割成粒徑為35mm的小塊，稱取4201g置于敞口石英槽內，將石英槽置于不銹鋼制備的敞口管內，整體置于高溫加熱爐艙內并迅速關閉爐艙；通入氬氣置換出艙內氣體，將艙內壓力抽至負壓為0.018MPa，通入99.999%的高純氘氣，再次抽至真空度為0.01OMPa,反復操作5次；保持上述真空度，以30°C /min的升溫速率將溫度升至161°C ;然后以18680ml/min的流速通入氘氣，反應63min ;持續通入氘氣，以3°C /min的升溫速率經38min將溫度升至252°C后，反應117min ;控制氘氣流速不變，并以5°C /min的速度經72min將爐艙內溫度升至588°C后停止升溫，恒定溫度和氘氣流速，繼續反應35min后，氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡；此時再次升溫6°C，氘氣壓力表仍然無波動,表明爐內氘化反應達到終點,共通入2439.02g氘氣；將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出爐艙內氘氣，在氬氣保護下，將氘化鋰取出；在氬氣保護下研磨成細粉，即得6637.0Sg氘化鋰粉，進行真空包裝可得到能安全貯存的產品；該方法制備氘化鋰的轉化率為99.91%，氘化鋰純度為99.94%。
【權利要求】
1.一種高溫直接法制備氘化鋰的方法，其特征在于:具體步驟如下: 步驟一、在惰性氣體保護下，將塊狀金屬鋰置于耐高溫敞口槽內，將耐高溫敞口槽置于敞口耐高溫容器中； 步驟二、在惰性氣體保護下，將步驟一的整體放入高溫加熱爐艙內，迅速關閉爐艙；通過抽真空與通入惰性氣體，使高溫加熱爐艙內的氣體完全排出； 步驟三、通過抽真空與通入氘氣，置換出高溫加熱爐艙內的惰性氣體，同時使高溫加熱爐艙內處于負壓狀態； 步驟四、保持步驟三的負壓狀態，以10~30°C /min的升溫速率將溫度升至120~1900C ;然后通入氘氣，恒定溫度下反應一段時間后；持續通入氘氣，同時以3~15°C /min的速度升溫至150~300°C ;持續通入氘氣，再以5~20°C /min的升溫速度將爐艙溫度升至250~600°C，停止加熱，恒定溫度和氘氣流速，直至氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處于平衡； 步驟五、將加熱爐艙溫度冷卻至常溫，用氬氣置換出爐艙內的氘氣，得到氘化鋰。
2.如權利要求1所述的一種高溫直接法制備氘化鋰的方法，其特征在于:步驟四所述的反應一段時間是指反應時間不得少于15min。
3.如權利要求1所述的一種高溫直接法制備氘化鋰的方法，其特征在于:所述步驟四結束后通過再次升溫能夠對氘化鋰的反應程度進行檢查，具體方法為:待氘氣壓力表與加熱反應爐內的壓力完全處 于平衡后，再次升溫5~35°C，氘氣壓力表仍然無波動，表明爐內氘化反應達到終點。
【文檔編號】C01D15/00GK104176749SQ201410458139
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月10日 優先權日:2014年7月2日
【發明者】劉吉平, 劉曉波 申請人:北京理工大學