CN112045184A - 一种抗辐射的不锈钢板材及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抗辐射的不锈钢板材，由若干复合球与不锈钢粉混合后通过注射成型或压制成型制得，其中，复合球的结构包括空心球外壳和内核，所述空心球外壳的内壁与所述内核之间设有空隙；本发明所提供的抗辐射的不锈钢板材，通过将具有屏蔽伽玛射线和中子能力的复合球与不锈钢粉混合后制成板材，一方面降低了板材的密度，另一方面使得板材同时具备屏蔽伽玛射线和中子的能力，并且，由于复合球的内部具有空隙，使得在屏蔽吸收中子时产生的氦气有容纳之处，有效避免了氦气使板材内部发生崩裂，从而可以提高板材的硼含量，进而提高屏蔽吸收中子的能力。

Description

一种抗辐射的不锈钢板材及其制备方法和应用

技术领域

本申请涉及防辐射材料领域，具体而言，涉及一种抗辐射的不锈钢板材及其制备方法和应用。

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，硼元素对中子的防护能力较好，但是现有技术中钢材中硼含量均为2％以下，是因为硼在处理中子时，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，因此硼的含量仅能在一个较低的范围，从而导致中子防护效果欠佳。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提供了一种抗辐射的不锈钢板材，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不锈钢板材的制备方法和应用。

本申请的实施例通过以下技术方案实现：

本发明第一方面提供了一种抗辐射的不锈钢板材，由若干复合球与不锈钢粉混合后通过注射成型或压制成型制得。

进一步地，所述复合球的结构包括：空心球外壳和内核，所述空心球外壳的内壁与所述内核之间设有空隙；

其中，所述空心球外壳的材质为伽玛吸收材料，所述内核的材质为中子吸收材料。

空心球外壳主要用于屏蔽吸收伽玛射线，内核主要用于屏蔽吸收中子，在屏蔽吸收中子的过程中所产生的氦气可以收纳于空心球外壳的内壁与内核之间的空隙中，有效避免了氦气外泄导致板材内部崩裂。

进一步地，若干所述复合球由若干第一复合球单体和若干第二复合球单体按质量比为(6-7)：(3-4)复配混合得到；其中，第一复合球单体的粒径为2mm-3mm，第二复合球单体的粒径为5mm-8mm。

根据小颗粒紧密堆积原理，通过将不同粒径大小的复合球单体按一定比例复配，使得混合料填充更加密集，从而屏蔽辐射的效果更好。

进一步地，所述复合球与不锈钢粉的质量比为1：(3-8)。

进一步地，所述空隙的容积为内核体积的0.5-1倍。

内核体积决定了射线穿过的有效界面大小，即中子屏蔽效果的强弱，空隙的容积决定了容纳氦气的能力，二者需要相互协调，经过多次试验，确定了当空隙的容积为内核体积的0.5-1倍时，中子屏蔽效果与氦气容纳能力相平衡，均处于较为理想的状态。

进一步地，所述伽玛吸收材料为钨合金，所述钨合金的配方为：包括钨、铁和铜，按质量百分比计，钨：(铁+铜)为(90wt％-95wt％):(5wt％-10wt％)。

进一步地，所述硼源化合物为碳化硼。

本发明第二方面提供了一种抗辐射的不锈钢板材的制备方法，包括如下步骤：

S1、制备复合球

将硼源化合物制粒，将模板剂包裹于所得粒状硼源化合物的表面得到颗粒物；将钨合金和粘接成型剂混合之后涂覆于所得颗粒物表面制得素胚；将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复合球；

S2、制备不锈钢板材

将步骤S1所得复合球与不锈钢粉混合均匀后通过注射成型或压制成型制得不锈钢板材。

进一步地，按步骤S1分别制备粒径为2mm-3mm的第一复合球单体和粒径为5mm-8mm的第二复合球单体，然后将第一复合球单体和若干第二复合球单体按质量比为(6-7)：(3-4)复配混合。

本发明第三方面提供了一种抗辐射的不锈钢板材的应用，应用于核辐射屏蔽设备。

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不锈钢板材，通过将具有屏蔽伽玛射线和中子能力的复合球与不锈钢粉混合后制成板材，一方面降低了板材的密度，另一方面使得板材同时具备屏蔽伽玛射线和中子的能力，并且，由于复合球的内部具有空隙，使得在屏蔽吸收中子时产生的氦气有容纳之处，有效避免了氦气使板材内部发生崩裂，从而可以提高板材的硼含量，进而提高屏蔽吸收中子的能力。

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所述不锈钢板材中的复合球的实物图；

图2为本发明实施例1所述不锈钢板材中的复合球的剖面实物图。

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、制备复合球

将碳化硼球形化处理，随后将亲水改性后的聚苯乙烯树脂粉末与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，该聚苯乙烯树脂的体积与碳化硼相同，随后将所得到的球形颗粒物放至钨合金粉末(其中，按质量比计，钨：(铁+铜)＝90wt％:10wt％)和粘接成型剂酚醛树脂的混合粉末上滚动成型，得到素胚，将该素胚移至马弗炉中进行物理脱脂(以1℃/min的升温速率由室温升温至200℃后保温6h)、物化脱脂(以1℃/min的升温速率由200℃升温至350℃后保温3h)、壳体固化(以1℃/min的升温速率由350℃升温至900℃后保温4h)和烧结(以3℃/min的升温速率由900℃升温至1350℃后保温1.5h)，取出自然冷却后用筛网分别筛选出粒径为2.5mm的第一复合球单体和粒径为7mm的第二复合球单体，按第一复合球单体：第二复合球单体＝6:4(质量比)将二者混合后备用。

S2、制备不锈钢板材

将步骤S1得到的第一复合球单体和第二复合球单体的混合物与不锈钢粉按质量比1:5混合后通过注射成型(注射成型为本领域常规技术手段，在此不多做赘述)制得不锈钢板材A1。

实施例2

S1、制备复合球

将碳化硼球形化处理，随后将亲水改性后的聚苯乙烯树脂粉末与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，该聚苯乙烯树脂的体积与碳化硼相同，随后将所得到的球形颗粒物放至钨合金粉末(其中，按质量比计，钨：(铁+铜)＝95wt％:5wt％)和粘接成型剂酚醛树脂的混合粉末上滚动成型，得到素胚，将该素胚移至马弗炉中进行物理脱脂(以1℃/min的升温速率由室温升温至200℃后保温6h)、物化脱脂(以1℃/min的升温速率由200℃升温至350℃后保温3h)、壳体固化(以1℃/min的升温速率由350℃升温至900℃后保温4h)和烧结(以3℃/min的升温速率由900℃升温至1350℃后保温1.5h)，取出自然冷却后用筛网分别筛选出粒径为2mm的第一复合球单体和粒径为5mm的第二复合球单体，按第一复合球单体：第二复合球单体＝6:4(质量比)将二者混合后备用。

S2、制备不锈钢板材

将步骤S1得到的第一复合球单体和第二复合球单体的混合物与不锈钢粉按质量比1:3混合后通过注射成型(注射成型为本领域常规技术手段，在此不多做赘述)制得不锈钢板材A2。

实施例3

S1、制备复合球

将碳化硼球形化处理，随后将亲水改性后的聚苯乙烯树脂粉末与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，该聚苯乙烯树脂的体积与碳化硼相同，随后将所得到的球形颗粒物放至钨合金粉末(其中，按质量比计，钨：(铁+铜)＝95wt％:5wt％)和粘接成型剂酚醛树脂的混合粉末上滚动成型，得到素胚，将该素胚移至马弗炉中进行物理脱脂(以1℃/min的升温速率由室温升温至200℃后保温6h)、物化脱脂(以1℃/min的升温速率由200℃升温至350℃后保温3h)、壳体固化(以1℃/min的升温速率由350℃升温至900℃后保温4h)和烧结(以3℃/min的升温速率由900℃升温至1350℃后保温1.5h)，取出自然冷却后用筛网分别筛选出粒径为3mm的第一复合球单体和粒径为8mm的第二复合球单体，按第一复合球单体：第二复合球单体＝7:3(质量比)将二者混合后备用。

S2、制备不锈钢板材

将步骤S1得到的第一复合球单体和第二复合球单体的混合物与不锈钢粉按质量比1:8混合后通过注射成型(注射成型为本领域常规技术手段，在此不多做赘述)制得不锈钢板材A3。

对比例1

用普通硼钢(硼含量为2％，市售硼钢的硼含量一般低于2％)通过注射成型制得不锈钢板材D1，该不锈钢板材D1的长、宽、厚度与实施例1所制得的不锈钢板材A1一致。

对比例2

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亲水改性后的聚苯乙烯树脂粉末，即空心球外壳与内核之间无空隙，最后制得不锈钢板材D2。

对比例3

其余特征与实施例1相同，所不同之处在于，在步骤S1制备复合球过程中，直接将钨合金粉末与碳化硼粉末混合后烧制成球，最后制得不锈钢板材D3。

实验例

对上述实施例和对比例中的各不锈钢板材分别进行抗辐射性能测试，具体测试方法为，在屏蔽板一侧放置伽玛源或者中子源，在屏蔽板的另一侧放置伽玛检测仪或中子检测仪，测试射线的衰减程度，结果见表1。

表1伽玛屏蔽效果测试结果

测试组	伽玛屏蔽率(％)	中子屏蔽率(％)
			A1	97.8	96.4
A2	96.2	96.1
			A3	97.1	95.4
D1	79.5	72.7
			D2	61.3	58.4
D3	75.8	71.1

由表1可以看出，按本发明所提供的技术方案所制得的不锈钢板材对于伽玛和中子的屏蔽效果很好，一方面是由于硼含量增大，增强了其中子屏蔽效果，另一方面是由于采用了空心结构的复合球，使得硼在吸收中子时所产生的氦气有贮存之处，不会外溢导致不锈钢板材内部崩裂，进而提升了屏蔽效果；对于不锈钢板材A1，由于其硼含量仅为2％，硼含量较低，导致其中子屏蔽效果欠佳，另外，在吸收中子的过程中所产生的氦气使得板材内部结构崩裂，容易导致辐射泄漏；对于不锈钢板材A2，由于其复合球中无空隙，所产生的氦气无法贮存，使得复合球外层的钨合金崩裂，进一步地使得不锈钢板材的内部结构发生崩裂，因此屏蔽效果不佳；对于不锈钢板材A3，由于复合球是直接将钨合金粉末与碳化硼粉末混合后烧制而得，同样没有用于贮存氦气的空隙，因此，不锈钢板材内部容易被崩裂，使得辐射泄漏。

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 (10)

1.一种抗辐射的不锈钢板材，其特征在于，由若干复合球与不锈钢粉混合后通过注射成型或压制成型制得。

2.根据权利要求1所述的抗辐射的不锈钢板材，其特征在于，所述复合球的结构包括：空心球外壳和内核，所述空心球外壳的内壁与所述内核之间设有空隙；

其中，所述空心球外壳的材质为伽玛吸收材料，所述内核的材质为中子吸收材料。

3.根据权利要求1所述的抗辐射的不锈钢板材，其特征在于，若干所述复合球由若干第一复合球单体和若干第二复合球单体按质量比为(6-7)：(3-4)复配混合得到；其中，第一复合球单体的粒径为2mm-3mm，第二复合球单体的粒径为5mm-8mm。

4.根据权利要求1所述的抗辐射的不锈钢板材，其特征在于，所述复合球与不锈钢粉的质量比为1：(3-8)。

5.根据权利要求2所述的抗辐射的不锈钢板材，其特征在于，所述空隙的容积为内核体积的0.5-1倍。

6.根据权利要求2所述的抗辐射的不锈钢板材，其特征在于，所述伽马吸收材料为钨合金，所述中子吸收材料为硼源化合物，所述钨合金的配方为：包括钨、铁和铜，按质量百分比计，钨：(铁+铜)为(90wt％-95wt％):(5wt％-10wt％)。

7.根据权利要求6所述的抗辐射的不锈钢板材，其特征在于，所述硼源化合物为碳化硼。

8.一种如权利要求1-7任意一项所述的抗辐射的不锈钢板材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、制备复合球

将硼源化合物制粒，将模板剂包裹于所得粒状硼源化合物的表面得到颗粒物；将钨合金和粘接成型剂混合之后涂覆于所得颗粒物表面制得素胚；将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复合球；

S2、制备不锈钢板材

将步骤S1所得复合球与不锈钢粉混合均匀后通过注射成型或压制成型制得不锈钢板材。

9.根据权利要求8所述的抗辐射的不锈钢板材的制备方法，其特征在于，按步骤S1分别制备粒径为2mm-3mm的第一复合球单体和粒径为5mm-8mm的第二复合球单体，然后将第一复合球单体和若干第二复合球单体按质量比为(6-7)：(3-4)复配混合。

10.一种如权利要求1-7任意一项所述的抗辐射的不锈钢板材的应用，其特征在于，应用于核辐射屏蔽设备。

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