CN102268582A

CN102268582A - 具有射线及中子综合屏蔽效果的铝基材料

Info

Publication number: CN102268582A
Application number: CN2011101888331A
Authority: CN
Inventors: 孙勇; 段永华; 彭明军; 何建洪
Original assignee: KUNMING LIGONG FENGCHAO TECHNOLOGY Ltd; Kunming University of Science and Technology
Current assignee: KUNMING LIGONG FENGCHAO TECHNOLOGY Ltd; Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2031-07-06
Also published as: CN102268582B

Abstract

本发明属于具有X、γ射线以及中子综合屏蔽效果的铝基屏蔽材料，特别是高强度、轻质量、多种屏蔽效果的屏蔽材料。屏蔽材料的组成为：基体为铝基合金AlMgPb(Mg15%～30%，Pb15%～35%，余量为铝，质量百分比)，硼或硼化物为中子吸收体。屏蔽材料的组分配比为：铝基合金的质量百分比在90%～99.7%之间，硼或硼化物的质量百分比在0.3%～10%之间。相比于传统铝基材料、Pb/B₄C以及铅硼聚乙烯复合材料，本发明的含硼或硼化物的铝基屏蔽材料不仅具有优异的屏蔽X、γ射线和中子综合屏蔽效果，而且其抗拉强度和布氏硬度远高于现有的Pb-B聚乙烯和Pb-B₄C复合屏蔽材料。

Description

具有射线及中子综合屏蔽效果的铝基材料

技术领域

本发明属于具有X、γ射线以及中子综合屏蔽效果的铝基屏蔽材料及其制备方法，特别是轻质量、多种屏蔽效果的屏蔽材料及制备方法。

背景技术

随着地球温室效应的日趋严重，作为干净清洁能源的核能其应用愈来愈受到重视。由于核反应堆会释放大量堆人体有害的射线和中子辐射，应此需要采用屏蔽材料对核反应堆进行屏蔽，因此具有多种射线和中子综合屏蔽材料的开发一直是核安全领域的重要课题。

现有的X、γ射线和中子综合屏蔽材料主要有铅硼聚乙烯、B₄C/Pb复合材料、B₄C/Al复合材料以及含硼不锈钢。在铅硼聚乙烯复合材料中，由于聚乙烯属于高分子材料，软化温度为130℃，导致铅硼聚乙烯复合材料的力学强度和耐热性差，其抗拉强度为10MPa左右，布氏硬度仅为3～4，严重制约了其应用；B₄C/Pb复合材料是将Pb-X(X＝Sb、Sn、Ag、Au、Cr等)合金与B₄C增强体通过粉末冶金或熔铸成型法复合而成，可作为吸收中子、遮挡X、γ射线的材料，但强度和塑性较低，其抗拉强度为48.2MPa，布氏硬度为22.13，导致其不能单独作为结构材料使用，而且难以制备出大尺寸的复合材料；B₄C/Al复合材料由于以B₄C陶瓷为承载体，此类复合材料塑性较差，且存在B₄C均匀化以及它与铝基体的界面结合等问题，又由于Pb的缺失，对射线的屏蔽效果也存在缺陷；含硼不锈钢对γ射线及中子的屏蔽性能比铁优越，但由于硼含量偏低，中子吸收效果不理想，不得不增加含硼不锈钢的厚度，导致屏蔽系统总重增加，而提高硼含量对含硼不锈钢合金的延展性和冲击抗力有不利影响，限制了含硼不锈钢用作乏燃料储存和运输设备的结构材料，此外，不锈钢中的铬，镍，锰等元素，受中子辐照后活化，反应堆停堆后须限制人员接近。

尽管有各种射线和中子综合屏蔽材料，但都离不开硼与铅两基本元素。硼具有优越的屏蔽中子的特性。铅对X、β、γ射线的吸收和散射最为强烈，既能屏蔽掉一次和二次γ射线，也不会成为第二次放射源。二者结合是最理想的核辐射屏蔽材料。而铝合金具有轻量化、刚性较高、振动吸收性良好、电磁波绝缘性佳、散热性良好、耐蚀性佳等优点。因此，通过镁、铝等元素的加入，将硼或硼化物与铅复合，利用铝合金的优异特点，开发出具有多重屏蔽效果、质量轻等特点的X、γ射线和中子综合屏蔽材料，提高屏蔽材料的力学性能和屏蔽性能，不仅是核安全领域的重要研究课题，同时也是推广核能应用的重要保障。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有射线及中子综合屏蔽效果的铝基材料及其制备方法，可使屏蔽材料的力学与屏蔽性能更高、加工生产更方便、制造成本更低廉。

解决本发明的技术问题所采用的技术方案是：屏蔽材料由AlMgPb铝基合金与硼或硼化物组成。

所述屏蔽材料的组分质量百分比为：硼或硼化物0.3％～10％，其余为铝基合金。

所述AlMgPb铝基合金中各组分的质量百分比为Mg 15％～30％、Pb 15％～35％，余量为铝。

本发明上述的具有射线及中子综合屏蔽效果的铝基材料的制备工艺为：先制备出AlMgPb铝基合金，最后添加硼或硼化物，使各个组元充分反应，以获得组织细密，结合良好的具有射线及中子综合屏蔽效果的铝基屏蔽材料。制备过程中，应保证各组元充分反应。

由于硼、铅两元素的物理和化学性质存在巨大差异，硼-铅属难混溶合金体系，很难将硼或硼化物均匀分布于铅中。首先将铅与镁、铝复合制备出AlMgPb铝基合金，再添加硼或硼化物，利用Al基合金作为高强、高耐蚀的金属承载体以及Mg与铅和硼或硼化物的互容性，实现铅、硼的均质化，获得AlMgPb-硼或硼化物铝基射线/中子屏蔽材料。

本发明的有益效果是：通过元素Mg、Al和硼或硼化物的加入，利用Al基合金作为高强、高耐蚀的金属承载体以及Mg与硼或硼化物的互容性，获得高强度的AlMgPb-硼或硼化物铝基射线/中子屏蔽材料，其抗拉强度和硬度指标大大高于Pb-B₄C复合材料和铅硼聚乙烯，分别达到228MPa和157HBS，延伸率为7.14％。同时具有X、γ射线和中子综合屏蔽效果，厚度为20mm的高强度AlMgPb-硼或硼化物金属基射线/中子屏蔽材料对能量为65KeV、118KeV和250KeV的X射线屏蔽率分别达到97.50％、97.65％和88.47％，有效地解决了能量介于40～88KeV之间“Pb的弱吸收区”问题；对γ射线的屏蔽率为45.95％(¹³⁷Cs源)和31.51％(⁶⁰Co源)；中子的屏蔽率高达93.51％；在Pb和B含量较现有屏蔽材料低的情况下，单位质量的AlMgPb-硼或硼化物铝基射线/中子屏蔽复合材料屏蔽效果优于Pb/B₄C复合材料和含硼不锈钢，而与铅硼聚乙烯相当。实现AlMgPb-硼或硼化物铝基射线/中子屏蔽材料的屏蔽功能-力学结构一体化。在提高屏蔽性能的同时实现屏蔽设施的简化和轻量化。

附图说明

图1是本发明AlMgPb-硼铝基射线/中子屏蔽材料的微观组织扫描电镜图。

图2是本发明AlMgPb-硼化物铝基射线/中子屏蔽材料的微观组织扫描电镜图。

具体实施方式

实施例1：在熔炼炉中加入质量百分比为48％的Al、33.6％的Pb和14.4％的Mg，再添加4.0％的硼。此时整个屏蔽材料中AlMgPb铝基合金质量百分比为96％；B为4％；AlMgPb合金中各组成组分质量百分比为：Mg 15％、Pb35％、Al 50％。搅拌2～5min，使各组元充分反应生成。浇铸制备成高强度AlMgPb-硼铝基射线/中子屏蔽材料。测试效果如下：

①微观组织特征：经过对试样表面处理(打磨→抛光→腐蚀)后，采用扫描电镜(型号为XL30ESEM-TMP)观察分析试样的微观组织特征，如图1所示。测试表明：合金组织分布均匀，各相的界面结合状况良好。

②抗拉强度测试：制备成测试试样棒在拉伸力学试验机上进行抗拉强度测试，测试结果表明：AlMgPb-硼铝基射线/中子屏蔽材料的抗拉强度达到228MPa，是Pb/B₄C复合材料和铅硼聚乙烯的5～20倍，见表1。延伸率为5.66％。

③布氏硬度测试：在HB-3000型布氏硬度计上测定屏蔽材料的布氏硬度，测试结果表明：AlMgPb-硼铝基射线/中子屏蔽材料的布氏硬度为157，是Pb/B₄C复合材料和铅硼聚乙烯的7～40倍，见表1。

④屏蔽性能测试：利用MG452型X射线系统进行X射线屏蔽性能检测，X射线能量分别为65keV、118keV和250keV。利用γ射线照射量标准装置进行γ射线屏蔽性能的测试，放射源为¹³⁷Cs(射线能量661KeV)和⁶⁰Co(射线能量1.25MeV)。中子屏蔽实验采用PTW-UNIDOS电离室型标准剂量仪和Am-Be中子源慢化实验装置检测。表2表明AlMgPb-硼铝基射线/中子屏蔽材料对能量为65KeV、118KeV和250KeV的X射线屏蔽率分别达到97.50％、97.65％和88.47％，有效地解决了能量介于40～88KeV之间“Pb的弱吸收区”问题；对γ射线的屏蔽率为45.95％(¹³⁷Cs源)和31.51％(⁶⁰Co源)；中子的屏蔽率高达93.51％。表3说明，在Pb和B含量较现有屏蔽材料低的情况下，单位质量的AlMgPb-硼铝基射线/中子屏蔽材料屏蔽效果优于纯铅和Pb/B₄C复合材料。

实施例2：在熔炼炉中加入质量百分比为50.6％的Al、27.6％的Mg和13.8％的Pb，再添加8％的硼化物。此时整个屏蔽材料中AlMgPb铝基合金质量百分比为92％；硼化物为8％；AlMgPb合金中各组成组分质量百分比为：Mg 30％、Pb 15％、Al 55％。搅拌2～5min，使各组元充分反应生成。浇铸制备成高强度AlMgPb-硼化物铝基射线/中子屏蔽材料。测试效果如下：

①微观组织特征：经过对试样表面处理(打磨→抛光→腐蚀)后，采用扫描电镜(型号为XL30ESEM-TMP)观察分析试样的微观组织特征，如图2所示。测试表明：合金组织分布均匀，各相的界面结合状况良好。

②抗拉强度测试：制备成测试试样棒在拉伸力学试验机上进行抗拉强度测试，测试结果表明：AlMgPb-硼化物铝基射线/中子屏蔽材料的抗拉强度达到235MPa，见表1。延伸率为7.14％。

③布氏硬度测试：在HB-3000型布氏硬度计上测定屏蔽材料的布氏硬度，测试结果表明：AlMgPb-硼化物铝基射线/中子屏蔽材料的布氏硬度为172，见表1。

④屏蔽性能测试：利用MG452型X射线系统进行X射线屏蔽性能检测，X射线能量分别为65keV、118keV和250keV。利用γ射线照射量标准装置进行γ射线屏蔽性能的测试，放射源为¹³⁷Cs(射线能量661KeV)和⁶⁰Co(射线能量1.25MeV)。中子屏蔽实验采用PTW-UNIDOS电离室型标准剂量仪和Am-Be中子源慢化实验装置检测。表2表明AlMgPb-硼化物铝基射线/中子屏蔽材料对能量为65KeV、118KeV和250KeV的X射线屏蔽率分别达到72.51％、75.23％和65.48％；对γ射线的屏蔽率为34.75％(¹³⁷Cs源)和20.16％(⁶⁰Co源)；中子的屏蔽率达95.27％。表3说明，在Pb和B含量较现有屏蔽材料低的情况下，单位质量的AlMgPb-硼化物铝基射线/中子屏蔽材料屏蔽效果优异。

表1为本发明屏蔽材料的抗拉强度与布氏硬度对比表。

表1

材料名称	抗拉强度(MPa)	布氏硬度	延伸率(％)
				AlMgPb-硼屏蔽材料	228	157	5.66
AlMgPb-硼化物屏蔽材料	235	172	7.14
				纯Pb	10～20	4～9	-
Pb-B聚乙烯	10	3～4	-
				Pb/B₄C复合材料	48.2	22.13	-

表2是厚度为20mm的本发明屏蔽材料的屏蔽性能表。

表2

表3为相同厚度的本发明屏蔽材料与纯铅、Pb/B₄C复合材料和铅硼聚乙烯屏蔽性能对比表。

表3

Claims

1.一种具有射线及中子综合屏蔽效果的铝基材料，其特征是：其特征是：屏蔽材料由AlMgPb铝基合金与硼或硼化物组成。

2.按权利要求1所述的具有射线及中子综合屏蔽效果的铝基材料，其特征是：所述屏蔽材料的组分质量百分比为：硼或硼化物0.3%～10%，其余为铝基合金。

3.按权利要求2所述的具有射线及中子综合屏蔽效果的铝基材料，其特征是：所述AlMgPb铝基合金中各组分的质量百分比为Mg 15%～30%、Pb 15%～35%，余量为铝。