CN106280501A - 一种以泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料及其制备方法，其中材料的组成如下：泡沫金属基体和中子屏蔽功能填料。中子屏蔽功能填料包括中子吸收功能填料与中子慢化功能填料。中子慢化功能填料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等树脂或石蜡、水中的一种或几种材料的混合。中子吸收功能填料为硼砂、硼酸、碳化硼、氢化锂等材料中的一种或几种材料的混合。泡沫金属为开孔的铅、铝、铁、铜、镍等金属泡沫。本发明将原料依次经过高聚物加热融化、有机填料与无机填料的混合、泡沫金属的预处理、填料充填开孔泡沫金属、冷却固化，最终得到产品。

Description

一种以泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种以泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料及其制备方法，其属于核辐射防护领域、核辐射屏蔽材料制备技术领域。

背景技术：

随着核技术应用在医疗诊断治疗，无损检测，辐射加工，探测等方面发挥越来越重要的作用，从事与中子源相关工作的人员越来越多，中子对人体会产生巨大伤害。中子的穿透力强，因此使用中子源必须对中子进行辐射防护。

传统的中子防护材料以重金属，轻核材料和混凝土为主，重金属的质量大，轻核材料的机械性能差，且对次生γ射线的防护能力差，混凝土的防护效率低、散热性差且质量体积大，如CN201210529795.6等。因此通过这些方法制得的中子屏蔽材料不能满足现代中子屏蔽材料综合屏蔽效率，工艺性能，经济性能等综合性能优秀的条件，同时在核事故条件下，传统屏蔽材料力学性能与抗冲击能力差，能量吸收率低，为核设施的防护与应急工作带来一定困难和风险，研制一种高效经济机械性能好且能量吸收率高的新型中子屏蔽材料，已成为本领域亟待解决的技术难题。

发明内容：

针对上述存在问题，本发明目的在于提供一种以泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料及其制备方法，其具有较高的中子屏蔽能力，良好的机械性能，散热性，优秀的能量吸收性能，工艺简单，成本低廉。

本发明采用如下技术方案：一种以泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料，由泡沫金属基体与中子屏蔽功能填料组成，按体积份计泡沫金属基体100份，中子屏蔽功能填料85-99.5份，所述泡沫金属基体为开孔型泡沫金属，所述中子屏蔽功能填料在泡沫金属基体中在厚度方向分为等厚度的两层，第一层全部为中子慢化功能填料，第二层由中子慢化功能填料、中子吸收功能填料和添加剂组成，中子慢化功能填料占第二层中子屏蔽功能填料的重量份为0-40份，中子吸收功能材料占第二层中子屏蔽功能填料的重量份为60-100份，添加剂占第二层中子屏蔽功能填料的重量份为0-10份。

进一步地，所述泡沫金属材料为铅、铝、铁、铜、镍中的一种或几种材料，孔隙率范围为85％-99.9％，孔密度范围为5-15PPI。

进一步地，所述中子慢化功能填料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯树脂以及石蜡、水中的一种或几种材料的混合。

进一步地，所述中子吸收功能填料为硼砂、硼酸、碳化硼、氢化锂材料中的一种或几种粉末材料的混合，粉末材料的粒径为2-100μm。

进一步地，所述添加剂为乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷等硅烷偶联剂。

本发明还采用如下技术方案：一种以泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)、填料的制备：将一种或几种中子慢化功能填料均匀混合分为两份，先取其中一份放入容器中加热至完全融化，加热过程中不断搅拌，融化后继续搅拌20min，将填料温度保持在熔点以上15℃使熔体保持在较小的粘度状态；

(2)、将泡沫金属切割成合适大小，依次浸入盐酸、乙醇、石油醚、硅烷偶联剂中的一种或几种，用超声波发生器加超声处理30min，以去除表面的氧化物和油渍，并在金属表面形成亲油层，改善金属与有机物的润湿性，放入预先准备好的模具中；

(3)、将步骤(1)所获得的填料同时从容器的两个角注入步骤(2)所准备的泡沫金属中，使填料浸没泡沫金属并充满泡沫金属的孔隙；

(4)、将步骤(3)所得的模具与样品放入真空炉中常温冷却固化；

(5)、将步骤(1)得到的第二份中子慢化功能材料、添加剂与中子吸收功能材料均匀混合，放入容器中加热至完全融化，加热过程中不断搅拌，融化后继续搅拌20min，将填料温度保持在熔点以上15℃使熔体保持在较小的粘度状态，重复步骤(3)和步骤(4)的注入与固化操作；

(6)、将固化完成的泡沫金属为基体的复合材料从容器中取出，切去溢出泡沫金属的部分填料。

本发明具有如下有益效果：本发明通过填料的熔融均匀混合或不均匀配置，泡沫金属的预处理，填料注入泡沫金属，泡沫金属与填料的分层分次固化结合等工艺获得的中子屏蔽材料，具有较高的中子屏蔽性能和多种射线综合屏蔽性能，良好的综合机械性能、散热性能和缓冲性能，工艺简单，成本低廉等优点。例如两厘米厚的材料对0.035ev中子的屏蔽率达到97％。

附图说明：

图1为以泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料示意图。

具体实施方式：

本发明以泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料，由泡沫金属基体与中子屏蔽功能填料组成，按体积份计泡沫金属基体100份，中子屏蔽功能填料85-99.5份，其中泡沫金属基体为开孔型泡沫金属，泡沫金属材料为铅、铝、铁、铜、镍中的一种或几种材料，孔隙率范围为85％-99.9％，孔密度范围为5-15PPI。其中中子屏蔽功能填料在泡沫金属基体中在厚度方向分为等厚度的两层，第一层全部为中子慢化功能填料，第二层由中子慢化功能填料、中子吸收功能填料和添加剂组成，中子慢化功能填料占第二层中子屏蔽功能填料的重量份为0-40份，中子吸收功能材料占第二层中子屏蔽功能填料的重量份为60-100份，添加剂占第二层中子屏蔽功能填料的重量份为0-10份。其中泡沫金属基体用于吸收二次伽马射线以及提供一定的机械性能、能量吸收能力以及散热能力，中子慢化功能填料用于对中子进行慢化，中子吸收功能填料用于吸收热中子，添加剂用于改善有机填料和无机填料之间的润湿性。

其中中子慢化功能填料为熔融状态时粘度低流动性好的含氢量高的材料例如聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等树脂以及石蜡、水中的一种或几种材料的混合。氢的中子非弹性散射截面高，含氢量高的材料是有效的中子慢化功能材料。本发明中子慢化功能材料可以对中子进行有效的屏蔽。

中子吸收功能填料为硼砂、硼酸、碳化硼、氢化锂等材料中的一种或几种粉末材料的混合，¹⁰B与⁶Li具有很高的中子吸收截面，硼砂、硼酸、碳化硼中含有B，氢化锂中含有Li，可以对热中子进行有效的吸收，提高中子屏蔽性能。粉末材料的粒径为2-100μm，粒径过小会导致团聚现象严重，粒径过大会导致填料无法均匀混合在中子慢化功能填料中。添加剂为乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷等硅烷偶联剂。

本发明中子屏蔽功能填料分为两层，中子经过第一层中子慢化功能填料慢化后进入第二层中子屏蔽功能填料进行继续慢化和吸收，中子吸收功能填料对于充分慢化后的热中子吸收效率更高。这种分布方式能够更有效的利用中子吸收材料，在使用相同量材料的情况下提高中子屏蔽性能。

本发明第二层中子屏蔽功能填料中的中子慢化功能填料占重量份数为60-100份，可以对中子进行进一步慢化；中子吸收功能材料占重量份数为0-40份，对热中子进行充分的吸收；添加剂占重量份数为0-10份，改善无机粉末填料与有机填料之间的润湿状态，增加连接强度。

本发明泡沫金属材料为铅、铝、铁、铜、镍中的一种或几种材料组成，孔隙率范围为85％-99.9％，孔密度范围为5-15PPI。铅、铝、铁、铜、镍等金属材料对于中子与物质反应产生的二次γ射线具有很强的吸收能力，泡沫金属巨大的比表面积可以增加光子的吸收效率。本发明泡沫金属的具有轻质高强，能量吸收率高的特点，可以有效的提高屏蔽体的机械性能，使屏蔽体在受到冲击时能够有效的保护中子源系统。

本发明中由于泡沫金属基体的存在，能够突破传统中子屏蔽材料中填料添加量过多会导致基体开裂，机械性能下降的技术难点。本发明泡沫金属基体能够有效增加屏蔽材料的导热系数，使屏蔽材料的产热或中子源产热散发更快，有效的防止体系过热。

本发明泡沫金属基体的开孔结构可以方便的将填料与泡沫金属复合，孔隙率过低或孔径太小会导致填料的注入发生困难，因此选用较大的孔隙度和较小的孔密度的开孔泡沫金属。

本发明以泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料的制备方法，包括填料的混合或加热融化，泡沫金属预处理，填料分批注入开孔泡沫金属，填料的固化。其详细制备方法如下：

(1)、填料的制备：将一种或几种中子慢化功能填料均匀混合分为两份，先取其中一份放入容器中加热至完全融化，加热过程中不断搅拌，融化后继续搅拌20min，将填料温度保持在熔点以上15℃使熔体保持在较小的粘度状态。

(2)、将泡沫金属切割成合适大小，依次浸入盐酸、乙醇、石油醚、硅烷偶联剂中的一种或几种中，用超声波发生器加超声处理30min，以去除表面的氧化物和油渍，并在金属表面形成亲油层，改善金属与有机物的润湿性，放入预先准备好的模具中。

(3)、将步骤(1)所获得的填料同时从容器的两个角注入步骤(2)所准备的泡沫金属中，使填料浸没泡沫金属并尽量充满泡沫金属的孔隙。

(4)、将步骤(3)所得的模具与样品放入真空炉中常温冷却固化。

(5)、将步骤(1)得到的第二份中子慢化功能材料、添加剂与中子吸收功能材料均匀混合，放入容器中加热至完全融化，加热过程中不断搅拌，融化后继续搅拌20min，将填料温度保持在熔点以上15℃使熔体保持在较小的粘度状态，持续超声处理，重复步骤(3)和步骤(4)的注入与固化操作。

(6)、将固化完成的泡沫金属为基体的复合材料从容器中取出，切去溢出泡沫金属的部分填料。

以下实施例为本发明的三种实施方式，本非是对本发明范围的限制，在具体的操作过程中，泡沫金属可以选择孔密度在5PPI到15PPI之间，孔隙率在85％-99.9％之间的泡沫金属铝、铅、铜、铁、镍中的任意一种或任意几种的合金，中子慢化功能填料可以选择聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等树脂以及石蜡、水中的一种或几种混合，中子吸收功能填料可以选择硼砂、硼酸、碳化硼、氢化锂等材料中的一种或几种材料的混合或不加，添加剂可以选择乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷等硅烷偶联剂中的一种或不加。

实施例1：

本发明所述的以泡沫金属为基体的中子屏蔽材料:

所述的屏蔽材料的泡沫金属基底的结构参数如下

材料	孔密度	孔隙度	长(cm)	宽(cm)	厚度(cm)
						Al	5PPI	97％	40	40	2.09

所述的屏蔽材料功能中子屏蔽填料各组分重量如下：石蜡3kg

所述的泡沫金属为基底的中子屏蔽材料制备方法步骤如下：

(1)填料的熔融：将石蜡放入水浴加热容器中加热至78℃左右，加热过程中不断搅拌以使之受热均匀，保证石蜡完全熔化成流体后继续搅拌20min保温。

(2)泡沫金属的前处理：将泡沫金属切割至40cm*40cm*2.09cm，先放入2％的盐酸溶液中超声10min，去除表面氧化物，再放入乙醇溶液中，超声10min，去除表面油污。再放入甲基丙烯酰氧基硅烷溶液中超声处理10min。

(3)泡沫金属与填料的复合：步骤(2)中得到的泡沫金属放入熔融的石蜡中，按压晃动泡沫金属使石蜡尽量充满泡沫金属的孔隙。保温十五分钟后，放入真空炉中空冷至室温。

从容器中取出步骤(3)中得到的材料，去除溢出泡沫金属的石蜡。得到所述的泡沫金属为基体的中子屏蔽材料。

材料的力学性能：

密度(g/cm3)	抗拉强度(Mpa)	弹性模量(Mpa)
			0.93	9.1	362.2

中子屏蔽能力：反应堆热中子流强度0.64×10⁵n/cm²/s，能量0.035eV的中子源屏蔽率98.0％。

实施例2：

本发明所述的以泡沫金属为基底的中子屏蔽材料：

所述的屏蔽材料的泡沫金属基底的结构参数如下：

材料	孔密度	孔隙度	长(cm)	宽(cm)	厚度(cm)
						Cu	10PPI	99.6％	40	40	1.35

所述的屏蔽材料功能中子屏蔽填料各组分重量如下：低密度聚乙烯2kg，碳化硼350g，甲基丙烯酰氧基硅烷20g。

(1)填料的熔融：取1kg聚乙烯颗粒放入加热容器中加热至135℃左右，加热过程中不断搅拌，聚乙烯完全熔化成流体后继续搅拌20min，保温备用。

(2)泡沫金属的前处理：将泡沫金属切割至40cm*40cm*1.35cm，先放入2％的盐酸溶液中超声10min，去除表面氧化物，再放入乙醇溶液中，超声10min，去除表面油污。再放入甲基丙烯酰氧基硅烷溶液中超声处理10min。

(3)泡沫金属与填料的复合：步骤(2)中得到的泡沫金属放入准备好的模具中，注入熔融的聚乙烯，按压晃动泡沫金属使聚乙烯尽量充满泡沫金属的孔隙。将模具放入真空炉中，冷却至室温。

(4)取1kg聚乙烯颗粒、350g碳化硼颗粒、甲基丙烯酰氧基硅烷20g混合均匀后置于加热容器中加热至至130℃左右，加热过程中不断搅拌，聚乙烯完全熔化成流体后继续搅拌20min，同时加超声波处理，保温备用。

(5)取出模具，将(4)得到的低密度聚乙烯和碳化硼均匀熔融混合物从模具的两个角同时注入泡沫金属中，注入过程不断按压晃动泡沫金属使尽量排除气泡。将模具放入真空炉中，冷却至室温。

(6)从模具中取出步骤(5)中得到的材料，去除溢出泡沫金属的填料。得到所述的泡沫金属为基体的中子屏蔽材料。

材料的力学性能：

密度(g/cm3)	抗拉强度(Mpa)	弹性模量(Mpa)
			1.13	17.8	498

中子屏蔽能力：反应堆热中子流强度0.64×10⁵n/cm²/s，能量0.035eV的中子源屏蔽率98.8％。

实施例3：

本发明所述的以泡沫金属为基底的中子屏蔽材料：

材料	孔密度	孔隙度	长(cm)	宽(cm)	厚度(cm)
						Al	10PPI	87％	40	40	2.54

所述的屏蔽材料的泡沫金属基底的结构参数如下：

所述的屏蔽材料功能中子屏蔽填料各组分重量如下：石蜡2kg，硼砂200g。

(1)填料的熔融：取1kg石蜡颗粒放入加热容器中加热至78℃左右，加热过程中不断搅拌，石蜡完全熔化成流体并达到粘度较低的状态后继续搅拌20min，保温备用。

(2)泡沫金属的前处理：将泡沫金属切割至40cm*40cm*1.35cm，先放入2％的盐酸溶液中超声10min，去除表面氧化物，再放入乙醇溶液中，超声10min，去除表面油污。再放入甲基丙烯酰氧基硅烷溶液中超声处理5min。

(3)泡沫金属与填料的复合：步骤(2)中得到的泡沫金属放入准备好的模具中，注入熔融的石蜡，按压晃动泡沫金属使石蜡尽量充满泡沫金属的孔隙。将模具放入真空炉，冷却至室温。

(4)取1kg石蜡颗粒与200g硼砂颗粒混合均匀后置于加热容器中加热至至130℃左右，加热过程中不断搅拌，石蜡完全熔化成流体并达到较低粘度状态后继续搅拌20min，同时加超声波处理，保温备用。

(5)取出模具，将(4)得到的石蜡和硼酸均匀熔融混合物从模具的两个角同时注入泡沫金属中，注入过程不断按压晃动泡沫金属使尽量排除气泡。将模具放入真空炉中，冷却至室温。

(6)从模具中取出步骤(5)中得到的材料，去除溢出泡沫金属的石蜡。得到所述的泡沫金属为基体的中子屏蔽材料。

材料的力学性能：

密度(g/cm3)	抗拉强度(Mpa)	弹性模量(Mpa)
			0.985	10.3	406

中子屏蔽能力：反应堆热中子流强度0.64×10⁵n/cm²/s，能量0.035eV的中子源屏蔽率99.29％。

本发明的工艺特殊性：

1、将泡沫金属作为中子屏蔽材料的骨架，填入中子屏蔽功能材料形成的泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料，提升了粉末填料可填充量上限，增加了材料的二次γ屏蔽性能，提升了机械性能、散热性能、能量吸收能力。

2、将泡沫金属作为骨架作为载体将填料的分层成型，达到中子吸收填料在厚度方向不均匀分布，以提高中子吸收材料的利用率和屏蔽率。

3、将泡沫金属用盐酸、乙醇、硅烷偶联剂预处理，改善了有机填料与泡沫金属的润湿状态，增加填充率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种以泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料，其特征在于：由泡沫金属基体与中子屏蔽功能填料组成，按体积份计泡沫金属基体100份，中子屏蔽功能填料85-99.5份，所述泡沫金属基体为开孔型泡沫金属，所述中子屏蔽功能填料在泡沫金属基体中在厚度方向分为等厚度的两层，第一层全部为中子慢化功能填料，第二层由中子慢化功能填料、中子吸收功能填料和添加剂组成，中子慢化功能填料占第二层中子屏蔽功能填料的重量份为0-40份，中子吸收功能材料占第二层中子屏蔽功能填料的重量份为60-100份，添加剂占第二层中子屏蔽功能填料的重量份为0-10份。

2.如权利要求1所述的以泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料，其特征在于：所述泡沫金属材料为铅、铝、铁、铜、镍中的一种或几种材料，孔隙率范围为85％-99.9％，孔密度范围为5-15PPI。

3.如权利要求1所述的以泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料，其特征在于：所述中子慢化功能填料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯树脂以及石蜡、水中的一种或几种材料的混合。

4.如权利要求1所述的以泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料，其特征在于：所述中子吸收功能填料为硼砂、硼酸、碳化硼、氢化锂材料中的一种或几种粉末材料的混合，粉末材料的粒径为2-100μm。

5.如权利要求1所述的以泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料，其特征在于：所述添加剂为乙烯基硅烷、氨基硅烷、甲基丙烯酰氧基硅烷等硅烷偶联剂。

6.一种以泡沫金属为基体的中子屏蔽复合材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤

(1)、填料的制备：将一种或几种中子慢化功能填料均匀混合分为两份，先取其中一份放入容器中加热至完全融化，加热过程中不断搅拌，融化后继续搅拌20min，将填料温度保持在熔点以上15℃使熔体保持在较小的粘度状态；

(2)、将泡沫金属切割成合适大小，依次浸入盐酸、乙醇、石油醚、硅烷偶联剂中的一种或几种中，用超声波发生器加超声处理30min，以去除表面的氧化物和油渍，并在金属表面形成亲油层，改善金属与有机物的润湿性，放入预先准备好的模具中；

(3)、将步骤(1)所获得的填料同时从容器的两个角注入步骤(2)所准备的泡沫金属中，使填料浸没泡沫金属并充满泡沫金属的孔隙；

(4)、将步骤(3)所得的模具与样品放入真空炉中常温冷却固化；

(5)、将步骤(1)得到的第二份中子慢化功能材料、添加剂与中子吸收功能材料均匀混合，放入容器中水浴加热至完全融化，加热过程中不断搅拌，融化后继续搅拌20min，将填料温度保持在熔点以上15℃使熔体保持在较小的粘度状态，持续超声处理，重复步骤(3)和步骤(4)的注入与固化操作；

(6)、将固化完成的泡沫金属为基体的复合材料从容器中取出，切去溢出泡沫金属的部分填料。