[发明专利]化学键合的陶瓷辐射屏蔽材料及制备方法

说明书

发明背景

技术领域

本发明涉及化学键合的氧化物-磷酸盐陶瓷领域，并且更特别地涉 及具有独特的辐射屏蔽特性的化学键合的氧化物-磷酸盐陶瓷。

相关技术描述

辐射的防泄漏、封装和屏蔽，包括电磁屏蔽和微波屏蔽，在科技进 步的社会中日益重要。虽然核能的产生提供了化石燃料能源的替代物， 但目前废料的防泄漏增加了费用，从而降低产生能量的综合经济可行 性。其它低水平的放射性物质，例如医药废物、工业废物、来自贫化铀 管理的废物等，也经历相同的储存、屏蔽和防泄漏问题。此外，电子装 置的激增增加了对提供有效的电磁屏蔽的需求。诸如手机、微波炉等电 子装置需要阻止辐射能指向使用者的电磁能屏蔽。

医学诊断领域也广泛使用放射性物质以帮助检测人类疾病。利用x 光和其它形式的放射性物质以检测这些问题已经为医生提供了对患者的 医疗状况有价值的判断力。这些诊断方法的缺点包括需要屏蔽以保护患 者和医务人员使其免于有害地暴露在辐射和其它形式的电磁能中。目前， 放射性医学诊断广泛地利用铅作为屏蔽材料。例如，患者可在照射x光 期间穿上铅衬背心以使暴露最小化。在照射医用x光期间，广泛使用铅 衬干墙板以提供对由一次x光线及一次x光线的散射产生的一次和二次x 辐射的屏蔽。x光机自身会需要有效的屏蔽，例如由铅板提供的屏蔽，以 防止人过度地暴露在放射性物质中。

因为金属铅屏蔽在不过多使用空间的情况下允许有效的屏蔽，所以 其被广泛使用。例如，厚度小于1英寸的铅板可用于屏蔽x光机。

铅屏蔽的缺点包括铅的质量、难于形成将铅板固定在适当位置的结 构、对美学上令人愉快的结构的需求以及详尽记录的暴露于铅和铅的处 理中的致癌风险等等。将现有的铅衬结合的石膏墙板适当安装为在医用 和牙科用x光室和设施中的二次和一次x光屏障是要花费大量劳动力的。

其它辐射屏蔽需求包括制造无铅墙板，该无铅墙板能够有效地替代 用于世界范围内医用和牙科用x光室及类似设施的、现有工业标准的铅 衬结合的石膏墙板。太空站、卫星和太空船是可以应用本发明的其它领 域，因为已知诸如铝箔和铝片、铅基材料等可利用的辐射屏蔽材料形式 和其它所提出的辐射屏蔽方法具有最低程度的有效性、需要使用促成重 量问题的限制性厚度、有时本质上是有毒的、并且关于需要开发在空间 环境中提供特别可靠的防护屏蔽的、通用的、坚固的、耐用的、相对易 于修复的复合辐射屏蔽材料通常是麻烦的。

由于基于波特兰水泥/混凝土的体系提供弱的氢键结合(与离子键结 合和共价键结合比较)，在发明名称为“胶凝喷射混凝土组合物”的第 6,565,647号美国专利中所描述的使用胶凝材料来容纳和屏蔽放射性物质 可能是成问题的，在此以参考的形式将该专利的全部内容引入本文中。 此外，这些基于波特兰水泥的体系具有高水平的孔隙率(与其它基体比较， 例如基于聚合物的材料和化学键合的氧化物-磷酸盐陶瓷)、腐蚀和破裂问 题。

波特兰水泥基体还需要大量的固化(21天)以保证完全的基体形成。 诸如基于聚合物的基体等其它选择可提供较低的孔隙率，但当暴露于有 机溶剂及高pH材料或低pH材料中时会降解。波特兰水泥基体还易于受 到来自于通常存在于放射性废物中的多种材料的腐蚀作用的影响。

冷烧结的陶瓷水泥材料，如在发明名称为“通过化学键合的磷酸盐 陶瓷稳定废物的方法”的美国专利第5,830,815号、发明名称为“可泵送 的/可注射的磷酸盐键合的陶瓷”的美国专利第6,204,214号、发明名称为 “化学键合的磷-硅酸盐陶瓷”的美国专利第6,518,212号以及发明名称 为“多功能耐火材料”的美国专利第6,787,495号中所描述的(在此将上述 专利的全部内容引入作为参考)冷烧结的陶瓷水泥材料未公开或未建议加 入不透射线的复合混合物，且因此未提供辐射屏蔽性。在所述‘815专利 的示例性实施方案中，将以下的氧化镁-磷酸反应作为典型而示出：

MgO+H₃PO₄+H₂O→MgHPO₄·3H₂O