【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院等離子體所聚變堆包層與安全研究中心的霍志鵬副研究員及其指導(dǎo)的碩士研究生魯義東研制了一類用于中子伽馬混合場輻射屏蔽的微米板Sm2O3增強(qiáng)含硼聚乙烯復(fù)合材料，同時針對材料的微結(jié)構(gòu)與熱、力學(xué)以及輻射屏蔽性能之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制展開了實(shí)驗(yàn)研究，并申請了1項(xiàng)發(fā)明專利。相關(guān)研究成果發(fā)表在材料科學(xué)1區(qū)TOP期刊Composites Science and Technology上。
輻射防護(hù)三要素包含時間防護(hù)、距離防護(hù)和屏蔽防護(hù)三種基本措施。在條件受限情況下，輻射工作人員必須長時間在輻射場環(huán)境工作，因此輻射屏蔽材料成為最重要的一道核安全屏障。核反應(yīng)產(chǎn)生的高能中子和伽馬射線穿透性強(qiáng)，會對人體造成組織損傷、生殖損傷和基因損傷，因此，如何屏蔽中子和伽馬射線成為核輻射防護(hù)的研究重點(diǎn)。傳統(tǒng)的鉛硼聚乙烯復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于中子伽馬混合屏蔽場合，但鉛作為一種重金屬元素具有高生物毒性，對人和環(huán)境有害。稀土元素釤(Sm)同時具有高熱中子吸收截面與高原子序數(shù)，是一種理想的中子伽馬雙功能吸收劑。然而目前針對稀土元素相關(guān)的輻射屏蔽材料研究缺乏深入的材料微結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料性能之間關(guān)聯(lián)機(jī)制的研究報(bào)道。因此，合成具有特定微觀形貌和高比表面積的稀土填料用于中子伽馬復(fù)合屏蔽材料的研發(fā)十分必要。
本研究采用均相共沉淀法合成了一系列具有不同比表面積和粒徑分布的微米板Sm2O3填料，XRD測試確定了合成Sm2O3填料的物相為立方晶系、體心立方格子，空間群為Ia(206)，晶體學(xué)計(jì)算結(jié)果表明填料的晶粒尺寸隨反應(yīng)物硝酸釤和尿素的摩爾比(R值)的減小而減小，而填料顆粒的比表面積隨R值減小而增大。合成Sm2O3填料的N2吸附/脫附等溫線符合國際純粹化學(xué)聯(lián)合會(IUPAC)分類的IV型，回滯環(huán)為H3型，與SEM圖像印證進(jìn)一步確定其微觀形貌為層狀堆疊帶狹縫狀孔隙的板狀結(jié)構(gòu)，其BET比表面積可達(dá)9.12m2/g。研究發(fā)現(xiàn)通過改變R值可以調(diào)控Sm2O3晶粒生長過程中奧斯特瓦爾德熟化和取向生長機(jī)制之間的競爭平衡，獲得尺寸均一、高比表面積的微米板Sm2O3填料。當(dāng)反應(yīng)物溶液中尿素水解的氫氧根離子濃度增大，Sm2O3晶粒沿(622)、(440)、(400)晶面的生長受到促進(jìn)，而沿(222)晶面的生長受到抑制，晶粒沿晶面生長存在各向異性，晶粒沿優(yōu)勢晶面取向生長形成一維納米晶體，隨后相鄰納米晶體通過直接鍵合和結(jié)晶進(jìn)一步組裝形成二維類板結(jié)構(gòu)，二維類板結(jié)構(gòu)遵循奧斯特瓦爾德熟化機(jī)制繼續(xù)生長，最終形成尺寸2-3 m的三維微米板結(jié)構(gòu)。隨后制備了一系列不同比表面積微米板Sm2O3增強(qiáng)含硼聚乙烯復(fù)合材料，并研究了Sm2O3填料的微結(jié)構(gòu)對于復(fù)合材料熱穩(wěn)定性、力學(xué)與輻射屏蔽性能的影響。
結(jié)果表明，尺寸均一、高比表面積的微米板Sm2O3填料可以在基體分子鏈中產(chǎn)生更多的限制位點(diǎn)以提高復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能，且在復(fù)合材料基體中具有更佳的分散性，其與中子和伽馬光子發(fā)生相互作用的機(jī)率更大，有利于提高復(fù)合材料的輻射屏蔽性能。輻射屏蔽測試表明厚度為15cm的優(yōu)選復(fù)合材料對252Cf中子源輻照屏蔽率達(dá)98.7%，對Cs-137伽馬源輻照屏蔽率達(dá)72.1%，優(yōu)于不含微米板Sm2O3填料的對照組材料。該工作從材料學(xué)的角度為輻射防護(hù)技術(shù)的進(jìn)步提供了新思路。
該研究得到了安徽省生態(tài)環(huán)境科研項(xiàng)目、安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目、聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施和合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院(安徽省能源實(shí)驗(yàn)室)等項(xiàng)目的資助。
圖1 微米板Sm2O3(a)填料和微米板Sm2O3增強(qiáng)含硼聚乙烯復(fù)合材料(b-c)的斷面SEM
圖2 微米板Sm2O3增強(qiáng)含硼聚乙烯復(fù)合材料的DSC(a)和應(yīng)力應(yīng)變曲線(b)
圖3 微米板Sm2O3增強(qiáng)含硼聚乙烯復(fù)合材料的中子(a)和伽馬透射率(b)
圖4 微米板Sm2O3增強(qiáng)含硼聚乙烯復(fù)合材料的中子伽馬屏蔽機(jī)制示意圖
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