CN112002453B - 一种抗辐射的复合球及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种抗辐射的复合球，包括用伽玛吸收材料制得的空心球，在所述空心球的内部设有中子吸收材料，所述中子吸收材料与所述空心球的内壁之间设有空隙；本申请所提供的抗辐射的复合球通过将伽玛吸收材料处理成空心球，有效地减轻了材料整体密度，另外将中子吸收材料设置于空心球内部，能将中子撞击硼时产生的氦气收纳于空心球内部，防止其外溢产生破坏。
Description
技术领域
本发明涉及防辐射材料领域，具体而言，涉及一种抗辐射的复合球及其制备方法。
背景技术
传统的抗核辐射材料通常包括铅、钢、水泥，但是上述材料比重较大，使得由其制备得到的抗辐射设备非常笨重，用量大比较浪费资源，且铅和镉都是有毒物质，在生产过程中不但会污染环境，还会对操作工人的身体造成伤害。除此之外，由于辐射的种类比较多，铅和镉对γ射线具有较好的防护能力，但是对高能量中子的防护能力却较弱。在本领域中，在处理中子时，会产生氦气，且氦气在材料内部产生，容易造成材料崩裂，从而导致核辐射泄漏。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种抗辐射的复合球，主要用于同时吸收屏蔽伽马射线和中子，且具有密度小、吸收氦气的优点；本申请还提供了上述抗辐射的复合球的制备方法。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：
一方面提供了一种抗辐射的复合球，包括用伽马吸收材料制得的空心球，在所述空心球的内部设有中子吸收材料，所述中子吸收材料与所述空心球的内壁之间设有空隙。
进一步地，所述伽马吸收材料为钨合金粉末、贫铀、特种硼钢和高速钢中的一种，优选为钨合金粉末，其中钨合金粉末的配方为：包括钨、铁和铜，按质量百分比计，钨：（铁+铜）为（90wt%-95wt%）:（5wt%-10wt%）。
按上述配方所制备得到的钨合金具有良好的屏蔽伽马射线的效果。
进一步地，所述中子吸收材料为硼源化合物、铪合金和铪氧化物中的一种。
进一步地，所述中子吸收材料为硼源化合物。
进一步地，所述硼源化合物为碳化硼或氮化硼，优选为碳化硼。
中子吸收材料作为内核，需要选用固体材料，碳化硼作为一种含硼固体材料，其中的硼对中子起到吸收屏蔽作用，并且，碳化硼物化性质稳定，容易制取。
进一步地，所述中子吸收材料呈球形。
呈球形的中子吸收材料比表面积大，更有利于规模化生产。
另一方面提供了上述抗辐射的复合球的制备方法，包括如下步骤：
S1、将中子吸收材料制粒；
S2、将模板剂涂敷于步骤S1所得粒状中子吸收材料的表面；
S3、将伽马吸收材料和粘接成型剂涂覆于步骤S2所得颗粒物表面制得素胚；
S4、将步骤S3所得素胚放入马弗炉中，在充氢气的环境下进行焙烧，随后取出自然冷却即得。
进一步地，步骤S1中所制得的中子吸收材料的粒径为0.5mm-5mm。
在该粒径范围内，射线穿过有效界面最大，且保证了合理有效的空隙体积，同时保证了材料整体的密度处于7.0-9.0g/cm3这一较小的范围。
进一步地，所述模板剂为亲水改性后的石蜡或亲水改性后的树脂。
亲水改性有利于金属粉末后续进行入型加工。
进一步地，在步骤S2中，所涂覆的模板剂的厚度为2mm-3mm。
模板剂的厚度决定了成型后空心球内部空隙的大小，越大，贮存氦气的能力越好，且综合考虑空心球外径和中子吸收材料内径的大小，确定了模板剂的厚度为2mm-3mm。
进一步地，在步骤S4中，马弗炉焙烧分为四个阶段：
阶段一、物理脱脂：以1℃/min的升温速率由室温升温至200℃后保温5h-6h；
在本温度范围内使得模板剂发生物理反应（固→液→气）脱离；
阶段二、物化脱脂：以1℃/min的升温速率由200℃升温至350℃后保温2h-3h；
在本温度范围内使得模板剂发生化学裂解脱离；
阶段三、物化脱脂+壳体固化：以1℃/min的升温速率由350℃升温至900℃后保温3h-4h；
在本温度范围内使得壳体进一步固化，防止后续烧结过程再发生崩裂。
阶段四、烧结：以3℃/min的升温速率由900℃升温至1350℃后保温1h-1.5h。
本申请实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
本申请所提供的抗辐射的复合球通过将伽马吸收材料处理成空心球，有效地减轻了材料整体密度，另外将中子吸收材料设置于空心球内部对中子进行吸收，同时将中子撞击硼时产生的氦气收纳于空心球内部，避免其外溢产生破坏。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1中的抗辐射的复合球的实物图；
图2为本发明实施例1中的抗辐射的复合球的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例1
S1、将中子吸收材料制粒
将碳化硼球形化处理，筛选出粒径为3mm的碳化硼球粒。
S2、将模板剂涂敷于步骤S1所得球状中子吸收材料的表面
首先对模板剂聚苯乙烯树脂粉末进行亲水表面改性，随后将亲水改性后的聚苯乙烯树脂粉末与步骤S1所制得的碳化硼球粒混合，使得聚苯乙烯树脂粉末包裹于碳化硼球粒表面，该聚苯乙烯树脂在碳化硼球粒表面的厚度为2.5mm。
S3、将伽马吸收材料和粘接成型剂包裹于步骤S2所得颗粒物表面制得素胚
首先将钨合金磨粉（该钨合金中包含93wt%钨、3wt%铁和4wt%铜）磨粉后与粘接成型剂酚醛树脂混合，然后将步骤S2所制得的球形颗粒物在所制得的钨合金与酚醛树脂的混合粉末上滚动成型，制备得到素胚。
S4、将步骤S3所得素胚放入马弗炉中，在充氢气的环境下进行焙烧，随后取出自然冷却即得
焙烧分为四个阶段：
阶段一、物理脱脂：以1℃/min的升温速率由室温升温至200℃后保温6h；
阶段二、物化脱脂：以1℃/min的升温速率由200℃升温至350℃后保温3h；
阶段三、物化脱脂+壳体固化：以1℃/min的升温速率由350℃升温至900℃后保温4h；
阶段四、烧结：以3℃/min的升温速率由900℃升温至1350℃后保温1.5h。
随后取出自然冷却即得抗辐射的复合球A1。
实施例2
S1、将中子吸收材料制粒
将碳化硼球形化处理，筛选出粒径为0.5mm的碳化硼球粒。
S2、将模板剂涂敷于步骤S1所得球状中子吸收材料的表面
首先对模板剂聚苯乙烯树脂粉末进行亲水表面改性，随后将亲水改性后的聚苯乙烯树脂粉末与步骤S1所制得的碳化硼球粒混合，使得聚苯乙烯树脂粉末包裹于碳化硼球粒表面，该聚苯乙烯树脂在碳化硼球粒表面的厚度为3mm。
S3、将伽马吸收材料和粘接成型剂包裹于步骤S2所得颗粒物表面制得素胚
首先将钨合金磨粉（该钨合金中包含90wt%钨、5wt%铁和5wt%铜）磨粉后与粘接成型剂酚醛树脂混合，然后将步骤S2所制得的球形颗粒物在所制得的钨合金与酚醛树脂的混合粉末上滚动成型，制备得到素胚。
S4、将步骤S3所得素胚放入马弗炉中，在充氢气的环境下进行焙烧，随后取出自然冷却即得
焙烧分为四个阶段：
阶段一、物理脱脂：以1℃/min的升温速率由室温升温至200℃后保温5h；
阶段二、物化脱脂：以1℃/min的升温速率由200℃升温至350℃后保温2h；
阶段三、物化脱脂+壳体固化：以1℃/min的升温速率由350℃升温至900℃后保温3h；
阶段四、烧结：以3℃/min的升温速率由900℃升温至1350℃后保温1h。
随后取出自然冷却即得抗辐射的复合球A2。
实施例3
S1、将中子吸收材料制粒
将碳化硼球形化处理，筛选出粒径为5mm的碳化硼球粒。
S2、将模板剂涂敷于步骤S1所得球状中子吸收材料的表面
首先对模板剂聚苯乙烯树脂粉末进行亲水表面改性，随后将亲水改性后的聚苯乙烯树脂粉末与步骤S1所制得的碳化硼球粒混合，使得聚苯乙烯树脂粉末包裹于碳化硼球粒表面，该聚苯乙烯树脂在碳化硼球粒表面的厚度为2mm。
S3、将伽马吸收材料和粘接成型剂包裹于步骤S2所得颗粒物表面制得素胚
首先将伽马吸收材料钨合金磨粉（该钨合金中包含95wt%钨、2wt%铁和3wt%铜）磨粉后与粘接成型剂酚醛树脂混合，然后将步骤S2所制得的球形颗粒物在所制得的钨合金与酚醛树脂的混合粉末上滚动成型，制备得到素胚。
S4、将步骤S3所得素胚放入马弗炉中，在充氢气的环境下进行焙烧，随后取出自然冷却即得
焙烧分为四个阶段：
阶段一、物理脱脂：以1℃/min的升温速率由室温升温至200℃后保温6h；
阶段二、物化脱脂：以1℃/min的升温速率由200℃升温至350℃后保温3h；
阶段三、物化脱脂+壳体固化：以1℃/min的升温速率由350℃升温至900℃后保温4h；
阶段四、烧结：以3℃/min的升温速率由900℃升温至1350℃后保温1.5h。
随后取出自然冷却即得抗辐射的复合球A3。
实施例4
其余特征与实施例1相同，所不同之处在于，步骤S1中的中子吸收材料选用氮化硼，最终制得抗辐射的复合球A4。
实施例5
其余特征与实施例1相同，所不同之处在于，步骤S3中的伽马吸收材料选用贫铀，最终制得抗辐射的复合球A5。
实施例6
其余特征与实施例1相同，所不同之处在于，步骤S3中的伽马吸收材料选用特种硼钢，最终制得抗辐射的复合球A6。
实施例7
其余特征与实施例1相同，所不同之处在于，步骤S3中的伽马吸收材料选用高速钢，最终制得抗辐射的复合球A7。
对比例1
其余特征与实施例1相同，所不同之处在于，在碳化硼球粒表面不包裹模板剂，即无步骤S2，即最终制得的材料中的碳化硼内核与钨合金外壳之间不存在空隙，制得复合球D1。
对比例2
将碳化硼粉末颗粒与钨合金粉末颗粒共混后按模板法制得呈空心状的复合球D2。
对比例3
采用硼含量为2%的硼钢（市售硼钢的硼含量一般低于2%）制成规格为25×25的板材D3。
实验例
将上述实施例1-7及对比例1、2所制备的复合球分别按5层密方排列、用树脂粘接固化成型制成25×25板材，分别对各屏蔽板的抗辐射性能进行测试，具体测试方法为，在屏蔽板一侧放置伽马源或者中子源，在屏蔽板的另一侧放置伽马检测仪或中子检测仪，测试屏蔽板的屏蔽率，结果见表1。
表1 伽马屏蔽效果测试结果
| 测试组 | 伽马屏蔽率（%） | 中子屏蔽率（%） |
| A1 | 95.5 | 94.6 |
| A2 | 94.1 | 93.1 |
| A3 | 94.8 | 93.8 |
| A4 | 92.7 | 91.5 |
| A5 | 93.1 | 90.8 |
| A6 | 91.2 | 90.4 |
| A7 | 91.8 | 90.9 |
| D1 | 52.5 | 51.8 |
| D2 | 68.8 | 59.5 |
| D3 | 79.5 | 72.7 |
由表1数据可以看出，按本发明的技术方案所制备得到的抗辐射的复合球的伽马屏蔽率和中子屏蔽率均达到90%以上；对于对比例1所制得的复合球D1，由于碳化硼内核与钨合金外壳之间不存在空隙，使得中子撞击硼所产生的氦气没有地方贮存，当氦气持续产生时，复合球的外壳（材质为钨合金，用于屏蔽吸收伽马）崩裂，导致伽马屏蔽效果降低，另外，氮气持续产生会导致屏蔽板（树脂）内部崩裂产生裂缝，使得屏蔽板整体的屏蔽伽马和中子的性能快速降低；对于对比例2所制得的复合球D2，由于是将碳化硼粉末颗粒与钨合金粉末颗粒共混后按模板法制得，当氦气持续产生时，不会对碳化硼（用于吸收屏蔽伽马）产生太大的影响，但是，所产生的氦气仍然会使得屏蔽板内部发生崩裂，使得屏蔽板整体的屏蔽伽马和中子的性能快速降低；对于对比例3所制得的复合球D3，采用的市面常见的硼钢，但是由于硼含量低（一般小于2%），其屏蔽效果有待改进，而按本发明所提供的技术方案，即将碳化硼设置于钨合金空心球内部，给氦气提供了贮存场所，因此硼含量可以提升至5%-10%，硼含量的提升，直接提升了材料的屏蔽吸收中子的能力。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种抗辐射的复合球，其特征在于，包括用伽马吸收材料制得的空心球，在所述空心球的内部设有中子吸收材料，所述中子吸收材料与所述空心球的内壁之间设有空隙；
制备方法包括如下步骤：
S1、将中子吸收材料制粒；
S2、将模板剂包裹于步骤S1所得粒状中子吸收材料的表面；
S3、将伽马吸收材料和粘接成型剂涂覆于步骤S2所得颗粒物表面制得素胚；
S4、将步骤S3所得素胚放入马弗炉中，在充氢气的环境下进行焙烧，随后取出自然冷却即得。
2.根据权利要求1所述的抗辐射的复合球，其特征在于，所述伽马吸收材料为钨合金粉末、贫铀、特种硼钢和高速钢中的一种。
3.根据权利要求1所述的抗辐射的复合球，其特征在于，所述中子吸收材料为硼源化合物、铪合金和铪氧化物中的一种。
4.根据权利要求3所述的抗辐射的复合球，其特征在于，所述硼源化合物为碳化硼或氮化硼。
5.根据权利要求1所述的抗辐射的复合球，其特征在于，所述中子吸收材料呈球形。
6.根据权利要求1所述的抗辐射的复合球，其特征在于，步骤S1中所制得的中子吸收材料的粒径为0.5mm-5mm。
7.根据权利要求1所述的抗辐射的复合球，其特征在于，所述模板剂为亲水改性后的石蜡或亲水改性后的树脂。
8.根据权利要求1所述的抗辐射的复合球，其特征在于，在步骤S2中，所涂覆的模板剂的厚度为2mm-3mm。
9.根据权利要求1所述的抗辐射的复合球，其特征在于，在步骤S4中，马弗炉焙烧分为四个阶段：
阶段一、物理脱脂：以1℃/min的升温速率由室温升温至200℃后保温5h-6h；
阶段二、物化脱脂：以1℃/min的升温速率由200℃升温至350℃后保温2h-3h；
阶段三、物化脱脂+壳体固化：以1℃/min的升温速率由350℃升温至900℃后保温3h-4h；
阶段四、烧结：以3℃/min的升温速率由900℃升温至1350℃后保温1h-1.5h。
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