CN107215879A - 一种中子和γ射线综合屏蔽填料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中子和γ射线综合屏蔽填料及其制备方法，属于屏蔽材料领域，目的在于解决现有的中子和γ射线综合屏蔽材料，无法从根本上解决屏蔽组元间的密度差异问题，影响材料综合屏蔽性能的提高，尤其是材料的γ射线屏蔽性能较差的问题。该填料由W和B组成，W和B的原子计量比为2︰1，其物相组成为W2B。本发明提供一种新的制备方法，通过对反应条件的控制，使得所制备屏蔽填料的密度均一性好，能够显著提升屏蔽填料的屏蔽性能，具有重要的进步意义。

Description

一种中子和γ射线综合屏蔽填料及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料领域，尤其是屏蔽材料制备领域，具体为一种中子和γ射线综合屏蔽填料及其制备方法。本发明的屏蔽填料兼具优异的热中子和γ射线综合屏蔽效果，并能有效避免屏蔽组元之间的密度差异问题，具有显著的进步意义。
背景技术
近年来，随着核能的广泛应用，人们接触放射性射线的几率空前增大。为了保证工作人员的安全健康，必须对核反应产生的各种射线进行有效的防护。目前，常用的核反应堆屏蔽材料为聚合物基屏蔽复合材料。以铅硼聚乙烯为例，其以聚乙烯为基体，将B4C和Pb均匀地弥散在其中，通过高速搅拌、捏合、塑化、层压而成。铅硼聚乙烯屏蔽复合材料中，聚乙烯基体中氢元素对中子具有良好的慢化作用，B4C中的B能有效地吸收热中子，Pb能有效地减弱γ射线。因此，铅硼聚乙烯具有屏蔽快中子、热中子和γ射线的综合屏蔽效果，其应用有助于简化屏蔽结构，减轻屏蔽体重量，缩小屏蔽体体积。然而，铅硼聚乙烯也存在如下缺点：其采用了B4C和Pb混合填料，其热中子屏蔽组元（B4C）和γ射线屏蔽组元（Pb）密度差异大，粒径也相差较大，难以实现在基体中的完全均匀分布，始终存在微观尺度下的铅或碳化硼的富集区，影响材料综合屏蔽性能的提高。另外，铅本身是一种毒性元素，环境友好性差，特别是在制备和使用过程中，会对环境及人员的身体健康产生不利影响。针对上述问题，人们迫切需要研制一种新型中子和γ射线综合屏蔽填料。
从防止公害、保护环境的角度出发，国内外许多机构采用其它物质替代铅，相继开发了无铅的聚合物基屏蔽材料。如日本东京都立产业技术研究所、日本原子能研究所、日本海上安全技术研究所、美国密歇根大学、埃及原子能管理局、国内东北大学、中国工程物理研究院和四川大学等分别利用铋粉、氧化铋粉、钛铁粉、含硼铁精矿粉、锆粉、铪粉、镍粉、钨粉、碳化钨粉等取代铅及其化合物，均有效的改善了此类材料的环境友好性。但上述研究中，仍然采用密度较小的硼化物来实现热中子的屏蔽，由于热中子屏蔽组元与γ射线屏蔽组元密度差异依然存在，使得这些材料也存在微观成分偏析问题。
为解决材料微观成分偏析的问题，国内外相关机构（如美国国家中子截面中心、日本京都大学、国内西安交通大学、兰州大学、北京化工大学和四川大学等）采用热中子吸收截面较大且密度较高的稀土元素及其化合物作为热中子屏蔽组元，以代替密度较低的B4C。然而，稀土元素主要作为热中子吸收材料使用时，二次γ射线产额相当大，只能用在以吸收热中子为主要目标的屏蔽系统，或配合γ射线屏蔽材料使用。同时，上述研究依然无法从根本上解决屏蔽组元间的密度差异问题，影响了材料综合屏蔽性能的提高，尤其是材料的γ射线屏蔽性能较差。
为此，迫切需要一种新的材料，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有的中子和γ射线综合屏蔽材料，无法从根本上解决屏蔽组元间的密度差异问题，影响材料综合屏蔽性能的提高的问题，提供一种中子和γ射线综合屏蔽填料及其制备方法。本发明提供的一种中子和γ射线综合屏蔽填料——W2B，为γ射线减弱元素W和热中子吸收元素B形成的二元化合物，W原子和B原子以特定比例均匀分布，克服了热中子吸收组分和γ射线减弱组分分离的问题，以其作为屏蔽填料，可以显著改善屏蔽材料的综合屏蔽性能。本发明提供一种新的制备方法，通过对反应条件的控制，使得所制备屏蔽填料的密度均一性好，能够显著提升屏蔽填料的屏蔽性能，具有重要的进步意义。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种中子和γ射线综合屏蔽填料，该填料由W和B组成，W和B的原子计量比为2︰1，其物相组成为W2B。
前述中子和γ射线综合屏蔽填料的制备方法，依次包括如下步骤：
（1）配料
按原子计量比，分别称取硼粉、钨粉，混合均匀，得到第一混合物；
（2）反应烧结
将步骤（1）制备的第一混合物进行反应烧结，使W和B充分进行物相反应，获得W2B烧结体；
（3）破碎
将所得W2B烧结体进行破碎，即得产品。
所述步骤（1）中，硼粉的纯度≥99.9%；钨粉的纯度≥99.5%。
所述步骤（1）中，混合方式采用干法混合或湿法混合；进行湿法混合时，混合介质为丙酮或无水乙醇的一种或多种。
所述步骤（2）中，将步骤（1）制备的第一混合物直接真空烧结或保护气氛烧结；
或所述步骤（2）中，将步骤（1）制备的第一混合物进行冷等静压成型后，再进行真空烧结或保护气氛烧结。
所述步骤（2）中，烧结温度为1100～1500℃，保温时间为1h～4h；进行保护气氛烧结时，采用惰性气体作为保护气氛。
所述保护气氛为氩气、氦气中一种或多种。
所述步骤（3）中，先将W2B烧结体进行机械破碎至粒径5mm以下，再进行高能球磨破碎，高能球磨采用的磨球为钨合金球或硬质合金球中的一种或多种，粉碎后，即得产品。
本发明的中子和γ射线综合屏蔽填料成分由钨（W）和硼（B）组成，其中W和B的原子计量比为2︰1，其物相组成为W2B（即化学分子式为W2B）。同时，本发明提供前述W2B综合屏蔽填料的制备方法。该方法中，将高纯W粉和高纯B粉进行混合、反应烧结，并破碎制得W2B填料。经实际测定，采用本发明的方法制备的W2B填料，兼具热中子和γ射线屏蔽性能，且γ射线减弱元素W和热中子吸收元素B之间形成二元化合物，W元素和B元素分布更加均匀，克服了热中子吸收组分和γ射线减弱组分分离的问题，以其作为屏蔽填料，可以显著改善屏蔽材料的综合屏蔽性能。
本发明中，制备方法是W2B屏蔽填料的关键，本发明通过控制反应条件，使得所制备的屏蔽填料的密度均匀性好，使得屏蔽材料的屏蔽性能得到显著提高。本发明的屏蔽填料能够满足聚合物基屏蔽复合材料对屏蔽填料的特殊要求，以其作为屏蔽填料能显著改善屏蔽材料的综合屏蔽性能，具有广阔的应用前景。同时，本发明的制备方法流程简单，易于操作，能够满足工业化大规模批量化生产的需要，对于其工业化应用具有重要的意义。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为采用实施例1中制备的中子和γ射线综合屏蔽填料的XRD图谱。
图2为采用实施例2中制备的中子和γ射线综合屏蔽填料的XRD图谱。
图3为采用实施例3中制备的中子和γ射线综合屏蔽填料的XRD图谱。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
以硼粉（≥99.9%，300目）和钨粉（99.9%，3.2μm）为原料，将W、B按原子比为2︰1进行配料，以无水乙醇为介质，进行高能球磨，混合均匀后，烘干，得到第一混合粉末。
将混合均匀的第一混合粉末在1350℃温度下，氩气保护烧结4h，反应合成制得W2B烧结体。
将制备的W2B烧结体进行高能球磨破碎，过筛后，制得兼具中子和γ射线屏蔽性能的W2B屏蔽填料。
对本实施例制备的W2B屏蔽填料进行XRD测定，其XRD分析结果如图1所示。
实施例2
以硼粉（≥99.9%，300目）和钨粉（99.9%，2.0μm）为原料，将W、B按原子比为2︰1进行配料，进行三维干式混合，混合均匀后，得到第一混合粉末。
将混合均匀的第一混合粉末进行冷等静压，制得混合粉末压坯；其中，压力为180MPa，保温时间为8min。
将制备的混合粉末压坯在1400℃温度下，氩气保护烧结2h，反应合成制得W2B烧结体。
将制备的W2B烧结体进行机械破碎和高能球磨破碎，过筛后，制得兼具中子和γ射线屏蔽性能的W2B屏蔽填料。
对本实施例制备的W2B屏蔽填料进行XRD测定，其XRD分析结果如图2所示。
实施例3
以硼粉（≥99.9%，300目）和钨粉（99.9%，300目）为原料，按W、B原子比为2︰1进行配料，以丙酮为介质，进行高能球磨，混合均匀后，烘干，得到第一混合粉末。
将混合均匀的第一混合粉末进行冷等静压，制得混合粉末压坯；其中，压力为100MPa，保温时间为10min。
将制备的混合粉末压坯在1300℃温度下，高温真空烧结4h，反应合成制得W2B烧结体。
将制备的W2B烧结体进行机械破碎和高能球磨破碎，过筛后，制得兼具中子和γ射线屏蔽性能的W2B屏蔽填料。
对本实施例制备的W2B屏蔽填料进行XRD测定，其XRD分析结果如图3所示。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种中子和γ射线综合屏蔽填料，其特征在于，该填料由W和B组成，W和B的原子计量比为2︰1，其物相组成为W2B。
2.根据权利要求1所述中子和γ射线综合屏蔽填料的制备方法，其特征在于，依次包括如下步骤：
（1）配料
按原子计量比，分别称取硼粉、钨粉，混合均匀，得到第一混合物；
（2）反应烧结
将步骤（1）制备的第一混合物进行反应烧结，使W和B充分进行物相反应，获得W2B烧结体；
（3）破碎
将所得W2B烧结体进行破碎，即得产品。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，硼粉的纯度≥99.9%；钨粉的纯度≥99.5%。
4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，混合方式采用干法混合或湿法混合；
进行湿法混合时，混合介质为丙酮或无水乙醇的一种或多种。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，将步骤（1）制备的第一混合物直接真空烧结或保护气氛烧结；
或所述步骤（2）中，将步骤（1）制备的第一混合物进行冷等静压成型后，再进行真空烧结或保护气氛烧结。
6.根据权利要求2或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，烧结温度为1100～1500℃，保温时间为1h～4h；进行保护气氛烧结时，采用惰性气体作为保护气氛。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述保护气氛为氩气、氦气中一种或多种。
8.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，先将W2B烧结体进行机械破碎至粒径5mm以下，再进行高能球磨破碎，高能球磨采用的磨球为钨合金球或硬质合金球中的一种或多种，粉碎后，即得产品。
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