【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院等離子體所霍志鵬副研究員及其指導(dǎo)的碩士研究生陳左陽研制了一類微結(jié)構(gòu)可調(diào)的PbWO4增強(qiáng)B4C/HDPE復(fù)合材料，通過精細(xì)調(diào)控PbWO4填料的微結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對中子和γ射線協(xié)同屏蔽性能的提升，并闡明了材料的微結(jié)構(gòu)與熱、力學(xué)、輻射屏蔽性能及服役耐久性之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制。相關(guān)研究成果發(fā)表在材料科學(xué)TOP期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing上，并申請了1項發(fā)明專利。
隨著核能應(yīng)用、放射治療及太空探索等領(lǐng)域的快速發(fā)展，輻射防護(hù)材料的需求日益增長。中子和γ射線是兩種常見的電離輻射，對人體和設(shè)備具有嚴(yán)重危害。傳統(tǒng)防護(hù)材料往往只能針對單一輻射類型，或存在力學(xué)性能不足、耐老化性能差等問題。如何開發(fā)兼具高效輻射屏蔽、優(yōu)良力學(xué)性能及服役耐久性的復(fù)合屏蔽材料，成為當(dāng)前研究的挑戰(zhàn)。
研究團(tuán)隊通過調(diào)控反應(yīng)參數(shù)，合成了不同微結(jié)構(gòu)的具有規(guī)整形貌的PbWO4填料，并與形貌無規(guī)的商用填料對比，系統(tǒng)分析了填料微結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料各項性能的影響。PbWO4的結(jié)晶度和晶面生長優(yōu)先度差異導(dǎo)致了不同的微結(jié)構(gòu)的形成。其中，微米粗糙球PbWO4-III填料因其表面富含次級微結(jié)構(gòu)，比表面積得到顯著提高。 高比表面積和均勻的粒徑分布，強(qiáng)化了填料與基體的界面相容性，使其具有最佳的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。
此外， PbWO4晶體可通過WO42-基團(tuán)中O和W原子之間的電荷轉(zhuǎn)移躍遷產(chǎn)生紫外吸收，增強(qiáng)了復(fù)合材料的抗紫外老化能力。Pb和W元素不但能高效吸收伽馬光子，而且在快中子能區(qū)的中子總截面高于B元素，而B元素對熱中子的吸收截面要高于Pb和W。因此，通過Pb、W和B元素的組合可實現(xiàn)對快、慢、熱中子和伽馬射線的協(xié)同屏蔽。而填料微結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提升了材料與輻射粒子的相互作用概率，增強(qiáng)了PbWO4、B4C和HDPE的協(xié)同屏蔽效應(yīng)。性能最優(yōu)的微米粗糙球PbWO4-III/B4C/HDPE復(fù)合材料在15cm的厚度下，對252Cf中子源和137Cs伽馬源的屏蔽率分別達(dá)到97.32 %和76.43 %，表現(xiàn)出最佳的中子總截面和線性衰減系數(shù)。
該研究通過PbWO?填料的微結(jié)構(gòu)調(diào)控，實現(xiàn)了復(fù)合材料性能的定向優(yōu)化，將PbWO?、B4C與HDPE結(jié)合，克服了傳統(tǒng)材料難以同時屏蔽寬能區(qū)中子和γ射線的局限性，為高性能輻射防護(hù)材料的設(shè)計提供了新思路。
該研究得到了安徽省生態(tài)環(huán)境科研項目、安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新項目、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(安徽省能源實驗室)等項目的資助。
圖1.(a)微米紡錘PbWO4-I、(b)微米球PbWO4-II、(c)微米粗糙球PbWO4-III、(d)商用PbWO4的SEM圖像
圖2. PbWO4增強(qiáng)含硼聚乙烯復(fù)合材料的中子伽馬協(xié)同屏蔽機(jī)制示意圖
圖3. PbWO4增強(qiáng)含硼聚乙烯復(fù)合材料的實測中子(a)和伽馬射線衰減曲線(b)
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