[发明专利]一种中子及伽马射线复合屏蔽材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种中子及伽马射线复合屏蔽材料及其制备方法，所述的复合屏蔽材料引入了经表面修饰的中子吸收剂和伽马吸收剂，使得该材料在具备高性能的中子吸收能力的同时还兼备了一定的伽马衰减能力；此外，通过硅烷偶联剂对功能填料表面的包覆改善了填料与基体间的界面相容性，提高了填料在基体内部的分散能力，进而提高了该材料的屏蔽性能；功能填料的掺杂还一定程度上提升了材料的热稳定性和拉伸强度。本发明所公开的复合屏蔽材料可应用于环境温度低于100℃的高性能中子屏蔽以及对承重载荷有一定限制的中子及伽马射线混合场的屏蔽。

技术领域

本发明涉及一种中子及伽马射线复合屏蔽材料及其制备方法，属于辐射防护技术领域。

背景技术

在航空航天、放射医疗、核能发电、军事等涉核领域中，对核辐射的屏蔽是人们无法逃避的难题。核辐射的形式多种多样，可以是粒子类型(包括α粒子、β粒子、中子)，也可以是电磁波类型(X射线和伽马射线)。核辐射危害程度与辐射的种类、能量、照射时间和吸收剂量等相关，会对人体的生殖系统、免疫系统和神经系统等造成直接的损害。众多核辐射类型中，α粒子和β粒子质量大，射程短，穿透能力低，普通衣物就足以阻挡，屏蔽起来非常简易；而中子，伽马射线穿透能力很强，必须采用专门的防护措施。

中子是一种电中性粒子，不受原子核和核外电子的库仑力作用，只能通过散射(弹性碰撞、非弹性碰撞)来慢化中子以及各种中子-核反应来吸收中子。中子的散射是指中子和靶原子核作用前后，仅仅是中子与靶原子核能量的交换；如果在散射前后靶原子核并未发生能级上的跃迁，中子和靶核系统前后总动能不变，则称为弹性散射；如果散射前后靶核吸收了一部分动能用于能级上的跃迁，总动能减少，则称为非弹性散射。中子的吸收过程中子的辐射俘获，带电粒子的核反应和裂变反应等。高能中子通过弹性碰撞将能量降至热中子范围内，在通过辐射俘获，核反应等过程被吸收。各种作用的概率与中子能量及靶原子核电荷数有关。由于氢核质量接近中子质量，因此含氢材料是一种理想的中子慢化剂，而聚乙烯作为含氢量最高的高分子材料，已被广泛应用于中子屏蔽，且聚乙烯还具有质量轻，价格便宜，易加工等优点。硼10具有较高的热中子吸收截面和吸收范围，一些含硼化合物如碳化硼、氮化硼、氧化硼、硼酸等物质以被广泛应用于中子吸收剂。一些稀土元素如钆、钐、铕也具有很高的热中子吸收截面，但吸收范围均不如硼，但这些稀土元素具有很高的原子序数，若作为热中子吸收剂还可同时吸收中子核反应放出的次级伽马射线，如果在复合材料中将这些稀土氧化物作为功能填料，便兼备了一定的伽马屏蔽能力。

核辐射屏蔽材料的应用由来已久，传统的伽马屏蔽材料或中子屏蔽材料通常为金属单质如铅、铁、钨、镉或混凝土、聚乙烯、石蜡、水等，这些材料在应对单一辐射类型时具有一定的防护作用；但是目前在现代辐射防护场景中，越来越严苛的物理环境和复杂的辐射环境使得辐射屏蔽材料不仅需要优良的热力学性能，还要兼顾中子和伽马混合辐射场的屏蔽；在相关核设施的结构部件中还需要材料具备优异的耐高温性能和耐辐射性能。目前单一的高分子基体如聚乙烯、环氧树脂等很难满足上述的严苛要求。因此，在高分子基体的基础上，根据不同的应用场景和要求，将不同功能填料掺杂进基体材料中，制备一系列或屏蔽性能优良、或热力学性能优异、或耐辐射服役寿命高的复合材料是目前的研究热门。该研究领域对促进我国核电和核安全技术事业的发展具有重要意义。

发明内容

为了解决聚乙烯屏蔽材料的缺点和不足，本发明的目的在于提供了一种中子及伽马射线复合屏蔽材料及其制备方法。所述复合屏蔽材料是一种无机填料增强的聚乙烯基复合屏蔽材料。本发明在制备该聚乙烯基复合屏蔽材料时引入了中子吸收剂和伽马吸收剂作为功能增强填料，拓宽了该屏蔽材料对中子的俘获能谱，提高该屏蔽材料对中子和伽马混合辐射场的屏蔽能力；此外，本发明制备过程中还采用了硅烷偶联剂针对所采用的中子吸收剂和伽马吸收剂进行了包覆改性，包覆改性后的功能填料更易于在聚合物基体中分散，进而可以提高中子和伽马光子与功能填料的作用概率，从而提高所得屏蔽材料的屏蔽性能；此外填料的掺杂还在一定程度上提升了复合材料的热稳定性和拉伸强度。

本发明是通过以下技术方案实现的：