含硼聚乙烯復(fù)合材料屏蔽性能的研究

李龍 羅曉渭 王霞 李小明 郭朝選（中國(guó)輻射防護(hù)研究院，山西 太原 030006）

含硼聚乙烯復(fù)合材料屏蔽性能的研究

李龍 羅曉渭 王霞 李小明 郭朝選（中國(guó)輻射防護(hù)研究院，山西 太原 030006）

聚乙烯中摻雜碳化硼制備一種新型屏蔽材料，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究摻雜的碳化硼顆粒粒徑，以及碳化硼在所制備的樣品中的分布狀態(tài)，最后利用中子源對(duì)樣品進(jìn)行屏蔽性能研究，探索材料厚度對(duì)屏蔽效果的影響。本研究為含硼聚乙烯新型復(fù)合材料在核防護(hù)工程中的應(yīng)用提供了有力的理論數(shù)據(jù)支撐，并為進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。

聚乙烯；碳化硼；中子屏蔽；粒徑；厚度

碳化硼有非常好的化學(xué)穩(wěn)定性，同時(shí)是一種優(yōu)秀的中子吸收物質(zhì)，其良好的中了吸收能力主要是依靠碳化硼中的10B。硼聚乙烯復(fù)合材料是一種新型的中子屏蔽材料，聚乙烯是碳?xì)浠衔铮瑲淞扛撸瑢?duì)快中子有良好的慢化作用，硼則吸收熱中子[1-3]。硼聚乙烯復(fù)合材料對(duì)寬能量譜及單峰能量譜的中子均有較好的屏蔽效果，硼聚乙烯復(fù)合材料有良好的機(jī)械加工及熱加工性能，可方便地加工或組裝成各種形狀，因此對(duì)各種能量譜和工況的中子源屏蔽具有良好的適應(yīng)性[4]。該復(fù)合材料市場(chǎng)需求廣闊，可應(yīng)用于艦船反應(yīng)堆生物屏蔽、研究堆的中子源、中子通道的屏蔽及石油化工、環(huán)境試驗(yàn)倉(cāng)中子源屏蔽等。

本文通過(guò)制備一種新型碳化硼聚乙烯復(fù)合材料并對(duì)其物理性能以及材料厚度對(duì)屏蔽效果的影響進(jìn)行研究，為材料的工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 樣品制備及檢測(cè)方法：

1.1 制備材料及方法：

用臺(tái)秤分別稱取超高分子聚乙烯45kg，碳化硼粉末5kg，重量比為9:1；在攪拌機(jī)中低速預(yù)混1分鐘，之后加入乙烯基硅氧烷偶聯(lián)劑20ml，高速混料4分鐘。混料結(jié)束后，在室溫環(huán)境下放置2小時(shí)，使其充分耦合；將混合料放入預(yù)制模具中，升溫加壓制備樣品，最后出模修整邊角；按上述步驟分別制備按重量比碳化硼的含量為10%，20%，30%，40%，50%的樣品，各樣品分別制備厚度為10mm，20mm，30mm，40mm，50mm的五種厚度的樣品。

1.2 碳化硼顆粒粒度檢測(cè)

本實(shí)驗(yàn)選用325目的碳化硼樣品，激光粒度分析儀進(jìn)行檢測(cè)。

1.3 碳化硼均勻性檢測(cè)

本實(shí)驗(yàn)采用TG-328A光學(xué)分析天平對(duì)樣品均勻性進(jìn)行檢測(cè)。

1.4 碳化硼聚乙烯材料樣品對(duì)中子屏蔽效果檢測(cè)

本實(shí)驗(yàn)在溫度為24℃，相對(duì)濕度55%的環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)原理及方法：

待測(cè)樣品利用252Cf放射性核素中子源進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)在有/無(wú)待測(cè)樣品時(shí)長(zhǎng)計(jì)數(shù)器凈計(jì)數(shù)率（效應(yīng)計(jì)數(shù)率減去室散射中子本底計(jì)數(shù)率）的變化反映待測(cè)材料對(duì)中子的屏蔽性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 碳化硼顆粒粒度檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)過(guò)檢測(cè)碳化硼平均比表面積為0.517m2/g，表面積平均粒徑為11.608μm，體平均粒徑為40.391μm。碳化硼顆粒隨著粒徑的增大而逐步增大，當(dāng)粒徑達(dá)到39.8μm時(shí)此粒徑的粒子在總體積中所占的比例最大達(dá)到7%，而之后隨著粒徑的進(jìn)一步增大顆粒所占的體積也逐漸減小，基本不存在粒徑大于150μm的顆粒。

2.2 碳化硼均勻性檢測(cè)結(jié)果

樣品整體密度為1.03g/cm3,同一樣品不同部位的密度沒有明顯變化，所選取的對(duì)照組樣品同一部位密度也沒有明顯差異。

2.3 碳化硼聚乙烯材料樣品對(duì)中子屏蔽效果檢測(cè)

通過(guò)檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)在硼粒子濃度一定的情況下屏蔽層厚度由10mm遞增至50mm，中子透過(guò)率由76.3%遞減至25.2%出現(xiàn)明顯下降。但是增加相同厚度的屏蔽層材料中子下降的比例并不是按比例下降。在屏蔽層達(dá)到一定程度后想要繼續(xù)屏蔽掉相同劑量的中子，需要增加更厚的屏蔽材料才能夠達(dá)到理想的效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)在聚乙烯中摻雜碳化硼制備一種具有中子屏蔽效果的新型屏蔽材料，并通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)證明，制備材料所摻雜的碳化硼顆粒較為精細(xì)，粒徑測(cè)試結(jié)果顯示以小顆粒為主。通過(guò)樣品均勻性檢測(cè)證實(shí)所制備樣品中碳化硼的分布非常均勻，樣品不同部位的密度基本無(wú)明顯差異。最后對(duì)樣品使用中子源進(jìn)行中子屏蔽性能檢測(cè)結(jié)果證實(shí)樣品具備屏蔽中子的效果，同時(shí)隨著樣品厚度的增加中子屏蔽效果明顯增加，但是當(dāng)厚度達(dá)到一定程度后屏蔽相同量的中子需要增加跟多厚度的樣品。研究為含硼聚乙烯材料在輻射防護(hù)工程中應(yīng)用提供了一定的理論支持。

[1]Ning Z X L.Overview on the Properties,Preparation and Applications of Boron Carbide Materials[J][J].Cemented Carbide, 2006,2:016.

[2]Shu-wei W,LIU Y,LI J.Application of boron carbide in shielding materials for nuclear radiation[J][J].Journal of Functional Materials,2008,39:558-560.

[3]張衛(wèi)江.富集硼10同位素的應(yīng)用[c][J].第四屆中國(guó)核學(xué)會(huì)省市區(qū)“三核”論壇報(bào)告論文集,2007.

[4]何國(guó)龍.碳化硼/鉛復(fù)合屏蔽材料的制備與性能研究[D].大連理工大學(xué),2013.

李龍（1988-），男，漢族，內(nèi)蒙古集寧市，中國(guó)輻射防護(hù)研究院，研究實(shí)習(xí)員，碩士研究生，研究方向：輻射防護(hù)。