CN113524658A - 一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，首先使用三维建模软件进行三维交织结构建模，再通过有限元工程分析软件进一步进行设计与优化结构，得到骨架的打印路径；然后将骨架材料、多种核射线屏蔽材料和光电材料分别均匀分散，制备3D打印专用材料；接着按照打印路径，采用骨架材料打印出三维交织结构的骨架；在骨架外部，采用多种核射线屏蔽材料打印出外侧填充结构；在骨架内部，采用光电材料打印出内部填充结构；最后通过层层堆叠打印，直至加工出核辐射屏蔽的轻质增材样品。本发明通过增材制造工艺实现复杂的结构化设计并做到实体的加工与制造，克服了核辐射屏蔽体传统制造加工的缺陷。

Description

一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法

技术领域

本发明涉及核辐射屏蔽设计领域，具体涉及一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法。

背景技术

核燃料在反应堆裂变的过程中，会产生大量的逃逸中子、伽马射线等多种射线。在屏蔽防护层的设计当中，因为核辐射种类较多且微观粒子运动时表现的不确定性，往往是用厚实致密的屏蔽材料进行简单的层层叠加和包裹进行屏蔽。受制于传统制造技术上的缺陷，每层屏蔽材料又只能单独制造成形，故而存在着屏蔽体复杂结构难成形、层与层之间力学性能差、研制周期长、加工难度大等问题。同时传统屏蔽材料大多形式单一，密度大，又难以满足未来对核反应堆小型化、轻量化、可移动性的要求。

另外，核辐射中以伽马射线为代表的多种电磁波射线，其屏蔽机理一直主要是用铅、钨等重原子序数材料吸收降能，大量的光子能最终以热能的形式传播了出去，并没有得到一定的有效转化与利用。

有鉴于此，确有必要提出一种针对多射线防护及并行自发电的轻质核辐射屏蔽体，并以先进的增材制造技术实现制造成形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，以解决核辐射屏蔽体传统结构笨重、缺乏灵活机动的缺点，通过光电材料实现核射线中部分光子能转换实现自发电，同时解决屏蔽体复杂结构的工艺成型问题，本发明通过增材制造工艺实现复杂的结构化设计并做到实体的加工与制造，克服了核辐射屏蔽体传统制造加工的缺陷。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，包括以下步骤：

步骤一：使用三维建模软件进行三维交织结构建模，再通过有限元工程分析软件进一步进行设计与优化结构，得到骨架的打印路径；

步骤二：将骨架材料、多种核射线屏蔽材料和光电材料分别均匀分散，制备3D打印专用材料；

步骤三：按照打印路径，采用骨架材料制备的3D打印专用材料打印出三维交织结构的骨架；在骨架外部，采用多种核射线屏蔽材料制备的3D打印专用材料打印出外侧填充结构；在骨架内部，采用光电材料制备的3D打印专用材料打印出内部填充结构；

步骤四：通过层层堆叠打印，直至加工出核辐射屏蔽的轻质增材样品。

进一步地，所述骨架采用含氢聚合物轻质材料。

进一步地，所述骨架材料具有一定的快中子慢化和力学性能，骨架材料采用聚乙烯、聚醚醚酮、尼龙、环氧树脂和聚酯纤维中任意一种单材料或至少两种材料组合的混合材料。

进一步地，所述多种核射线屏蔽材料采用针对中子、低能伽马及X射线的吸收材料。

进一步地，所述多种核射线屏蔽材料是两类材料的组合，一类针对慢中子吸收用的材料，采用单质硼、碳化硼、氮化硼中的一种单材料或至少两种组合的混合材料，另一类是针对低能伽马和X射线屏蔽用的材料，采用钨、碳化钨、铅、氧化铋中的一种单材料或至少两种组合的混合材料。

进一步地，所述光电材料采用三维致密的光电薄膜材料。

进一步地，所述光电材料采用钙钛矿、Mxene中的单材料或这两类材料组合的混合材料。

进一步地，所述多种核射线屏蔽材料通过设计若干种方案并利用粒子输运计算软件进行核辐射仿真计算，根据最优解得到最佳的骨架外填充方案。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明包括三维交织结构的骨架成型，骨架内多层光电薄膜材料成型，骨架外多种核射线屏蔽材料成型，本发明首先解决了核屏蔽结构设计因为传统工艺上的不足只能对材料层做简单的叠加问题，通过增材制造工艺实现复杂的结构化设计并做到实体的加工与制造，其次采用有限元工程结构软件分析并优化，在满足核屏蔽结构的轻量、小型等要求的同时，也保证了该结构的力学稳定性。另外，增材制造技术的应用大大提高了核屏蔽设计工作的效率，方便对打印出的屏蔽件迅速进行检测与应用。

进一步地，在核屏蔽体中参杂的具有较强共振特性的光电材料，其在遇到核辐射中某些实质是电磁波的多种射线，比如伽马射线、X射线等，这些射线的光子能量使得光电材料中的电子逸出产生电能，发生光电效应，实现自发电的并行能力，促进核能的进一步有效开发和利用。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为三维交织结构的核屏蔽体；

图2为基体材料打印部件；

图3是多种核射线屏蔽材料打印部件；

图4是光电材料打印部件；

图5是实验方案设计流程图。

其中，图1中：具有网格划分的面属于骨架内光电薄膜材料填充，其余线条为按某力学要求优化得到的骨架，方体除上述的其余部分均属于多种核射线屏蔽材料填充；

图2～图4中：1、3D打印机进丝卷筒；2、第一进料口；3、摇臂；4、加热块；5、喷嘴；6、平台；7、内部进料管；8、进料口；9、外部进料管；10、开关；11、螺杆；12、热电阻；13、热电偶；14、雾化喷嘴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步详细描述：

本发明提供了一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法。该方法首先借助三维建模软件进行三维基体骨架的建模。再通过有限元工程分析软件进行分析优化，在保证整体结构力学性能要求的同时，确定骨架的空间位置分布、骨架直径、支撑走向。再设置多组骨架外多种核射线屏蔽材料填充方案，通过粒子输运计算软件仿真模拟，得到骨架外多种核射线屏蔽材料的最佳质量配比、空间位置分布、空间厚度分布。最后采用增材制造技术进行3D打印，实现含氢聚合物轻质材料的骨架、骨架内光电薄膜材料、骨架外多种核射线屏蔽材料的一体化加工与制造。

本发明通过增材制造方法实现多射线屏蔽和自发电功能的轻质核辐射屏蔽体，相应的实验步骤如下所示：

使用三维建模软件进行三维结构建模，再通过有限元工程分析软件进一步进行设计与优化结构，得到打印路径。

多种核射线屏蔽材料通过设计若干种方案并利用粒子输运计算软件进行核辐射仿真计算，根据最优解得到最佳的骨架外填充设计方案。

将基体材料、多种核射线屏蔽材料、光电材料分别充分混合，均匀分散，制备3D打印专用复合材料(丝材、粒料、粉料)。

按照打印路径，通过增材制造技术打印出三维交织结构的基体。

在骨架外部，通过增材制造技术打印出多种核射线屏蔽材料。

在骨架内部，通过增材制造技术打印出多层光电薄膜材料。

随着升降台的下降，实现层层堆叠打印，直至加工出样品。

作为优选，三维交织结构在样品空间中均匀有序排布，骨架单元内部属于多层光电薄膜材料填充，外部填充实心致密的多种核射线屏蔽材料。

作为优选，骨架选择含氢聚合物轻质材料，用于中子慢化并保证结构稳定，可以是聚乙烯、聚醚醚酮、尼龙、环氧树脂、聚酯纤维这些含氢聚合物任意一种单材料或至少两种材料组合的混合材料。

作为优选，骨架外填充的多种核射线屏蔽材料主要是针对慢中子、伽马、X射线的吸收材料，可以是单质硼、碳化硼、氮化硼、钨、碳化钨、铅、氧化铋中的一种单材料或至少两种材料组合的混合材料。

作为优选，光电材料具有优异载流子迁移率和激子扩散长度，是钙钛矿、Mxene中具有较强共振特性的光电材料中的单材料或至少两种材料组合的混合材料。

作为优选，三维交织型骨架采用有限元工程分析软件进行结构稳定性分析并优化，骨架外的多种核射线屏蔽材料通过设计多种方案并利用粒子输运计算软件进行核辐射仿真计算，由最优解得到最佳的骨架外填充方案。

结合本发明中提出的实例相关附图，我们在此对发明中的技术方案做进一步的详细阐述，阐述内容并不包含所有的技术细节，只包含针对设计与工艺展开的具体流程。另外需要指出的是，此发明并不囊括全部实施案例。本领域及其相关领域的技术人员在未能做出更新的创造性劳动之下，其所提出的类似本发明相关设计思想，设计流程，工艺方法，实施案例均应该在本发明保护范围之内。

本发明提出了一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法。

第一，本发明对此三维空间交织结构的屏蔽体按照图1所展现的形式做出了具体说明。其具体结构包括了使用含氢聚合物轻质材料打印出来的三维交织状基体骨架，骨架内部多层光电薄膜材料，骨架外的多种核射线屏蔽材料。

第二，参照图1和图2，含氢聚合物轻质材料即中子慢化剂选自聚乙烯、聚醚醚酮、尼龙、环氧树脂、聚酯纤维中的一种单材料或至少两种组合的混合材料，作为骨架基体，制备成3D打印专用的材料(丝材、粒料、粉料)。

如果是丝材材料，丝材绕在3D打印机进丝卷筒1上，丝材端头剪成坡口，推进第一进料口2，轻轻按压打印机的摇臂3把丝材良好地推至第一喷头处。丝材经过加热块4融化，通过喷嘴5直接在调试好的平台6上按照打印规划路径挤出。如果是粉料或粒料，可以将料直接注入第一喷头的进料管道A中，经过加热块4融化，再通过喷嘴5就可以实现打印。

第三，参照图1和图3，多种核射线屏蔽材料即慢中子和伽马、X射线吸收剂，可以选择单质硼、碳化硼、氮化硼、钨、碳化钨、铅、氧化铋中的一种单材料或至少两种材料组合的混合材料，先进行充分搅拌，搅拌均匀后，制备3D打印专用材料(丝材、粒料、粉料)。

3D打印机内部进料管7上端连接着进料口8，下端连接着第二喷头，进料口8上端连接着外部进料管9，中间有开关10进行控制，按打印程序的设置控制是否应该进料。但开关10在打印预备的过程中需要打开，以免料发生堆积造成碳化堵塞。按照打印程序，如果多射线辐射屏蔽材料存在不连续打印情况，那么进料口的开关10会在打印的过程中会自动关闭。材料进入内部进料管7，在内部螺杆11的旋转推动下，料将会被挤出第二喷头进行打印。

第四，参照图1和图4，将光电材料制备3D打印专用材料(丝材、粒料、粉料)。在3D打印机第三喷头处，利用热电阻12加热，完全熔融腔内的光电材料，温度的控制用一对热电偶13控制。完全熔融的光电材料通过雾化喷嘴14在相应的骨架内打印成型。

如图5所示，针对核辐射屏蔽的一般简单流程为：设计初始，需要使用三维建模软件对屏蔽体进行简单建模，模型中的骨架采用多边形进行交织连接，设计形状与相应具体需求的力学性能和屏蔽性能相适应。使用有限元工程分析软件进行工程优化分析，得到模型中骨架的具体排布方式。

对多种核射线屏蔽材料(主要用于热中子和伽马、X射线吸收)设置多个方案，编写代码程序，使用粒子输运计算软件进行相应模拟，通过比较粒子通量结果得到最优方案。

按照此方案，进行增材制造。在3D打印软件中，生成打印路径、切片层厚、模型支撑件等。按照设计的打印程序进行多喷头自动化打印以及相关后处理，最终完成对工件的加工与制造。

本发明提出的设计与工艺方法，得到的一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体，主要是由含氢聚合物轻质材料作为骨架基体，骨架内通过多层光电薄膜材料进行填充，骨架外是多种核射线屏蔽材料。

以下部分结合具体实际案例进行详细阐述。

目标要求：一般核辐射防护屏蔽体，具有一定的力学特性。辐射源是混合辐射，可以以中子和伽马、X射线等辐射为代表，辐射源并不唯一。能够实现对核射线一定屏蔽要求以及以伽马射线、X射线为代表的多种实质作为电磁波的一定光电转化。

材料选择

按上述中有多种材料可供选择，为方便赘述，在当前实例中，取其中几种有一定代表性材料为例。需要强调的是，本发明针对材料选取的保护范围当不局限于该实例中仅提及的内容，应该包含在按权利要求及其相类似等同物之下。

骨架基体：具有一定的中子慢化能力和一定力学强度的聚乙烯材料；骨架单元内：钙钛矿或Mxene材料；骨架外：氮化硼和碳化钨的辐射屏蔽材料。

三维建模

遵照尺寸要求建立屏蔽体，屏蔽体内部首先有三维交织的骨架，具体的交织形式并不唯一，须与该屏蔽体所具体要求的力学性能和屏蔽性能相适应即可，骨架从上到下一直交织连续，前后可以有一定间隔。

骨架模型力学结构分析及优化

将骨架模型放入有限元工程分析软件中进行优化分析，设定相关的自由度约束和载荷施加，进行工程分析，根据所需强度和稳定性要求，进一步设置相关优化参数，得到骨架结构的优化结果。

仿真计算，筛选方案

设置多组实验方案，对碳化钨、氮化硼在骨架外的空间分布位置、厚度、材料质量占比等多个方面进行多组方案设计。将每组方案的输入数据编写成代码程序，放入粒子输运计算软件中进行模拟，在相关编程、画图软件中对结果进行输出表达，得到屏蔽率高的一组骨架外填充方案。

整体模型力学结构分析

依据被筛选的一组骨架外填充方案，与骨架结构优化结果的内容进行组合得到整体的结构及材料模型，对其进行有限元工程分析并优化，须对这组方案设置相同的边界和约束条件，对每一个个体方案分析得到的力学性能结果和它的屏蔽能力结果进行综合评定，最终得到整个屏蔽体材料与结构的最佳一体化设计方案。

材料制备

将聚乙烯、光电材料制备3D打印专用材料(丝材、粒料、粉料)。将氮化硼、碳化钨按照最佳方案进行机械混合，使其搅拌均匀，制备成3D打印专用材料(丝材、粒料、粉料)。

增材制造

为方便赘述，取上述所有专用材料的丝材形式为例。

聚乙烯丝材通过第一喷头进行挤出，丝材缠绕在3D打印机进丝卷筒1上，丝材端头剪成坡口，推进第一进料口2，轻轻按压打印机的摇臂3把丝材良好地推至喷头一处。基体丝材经过加热块4融化，通过喷嘴5直接在调试好的平台6上按照打印规划路径挤出。

氮化硼和碳化钨混合材料制备的丝材通过第二喷头挤出，3D打印机内部进料管7上端连接着进料口8，下端连接着喷头二，进料口8上端连接着外部进料管9，中间有开关10进行控制，按打印程序的设置控制是否应该进料。但开关10在打印预备的过程中需要打开，以免料发生堆积造成碳化堵塞。按照打印程序，如果多射线辐射屏蔽材料存在不连续打印情况，那么进料口的开关10会在打印的过程中会自动关闭。材料进入内部进料管7，在内部螺杆11的旋转推动下，料将会被挤出第二喷头进行打印。

在3D打印机第三喷头处，利用热电阻12加热，完全熔融腔内的光电材料，温度的控制用一对热电偶13控制。完全熔融的光电材料通过雾化喷嘴14在相应的骨架内成型。

综上所述，本发明一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法。在设计的过程中，使用有限元工程分析软件进行拓扑优化，粒子输运计算软件进行仿真，增材制造工艺进行结构与功能一体化制造，构成了一套完整的系统的研究方案。本发明将增材制造技术作用于核辐射领域，优点在于，采用轻质聚合物复合材料构成屏蔽体三维结构骨架，满足了核屏蔽体轻量化、小型化的需求，摆脱了核辐射屏蔽体传统制造工艺的缺陷，打印成形周期短，缺陷少，精度高。光电材料对本质作为电磁波的多种核射线的光电转换也实现了材料的自发电。本发明正是依赖于此背景应运而生，可见，本发明具有一定的广阔的市场前景，对科研工作也有一定的启发性。

以上描述仅仅作为本发明中个别实施案例，本领域技术人员应当理解，实施案例和工艺步骤以及设计流程等保护内容，都不应该完全局限于上述实施案例描述的内容，而是按照权利要求及其相关类似要求的全部范围来进行确定。所有撰写文章及其专利申请或公告公开都通过参考结合在本文中，而凡是没有创造性的劳动成果之下，基于本发明所做出的任何修改、等同替换、更改等，均应受于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：使用三维建模软件进行三维交织结构建模，再通过有限元工程分析软件进一步进行设计与优化结构，得到骨架的打印路径；

步骤二：将骨架材料、多种核射线屏蔽材料和光电材料分别均匀分散，制备3D打印专用材料；

步骤三：按照打印路径，采用骨架材料制备的3D打印专用材料打印出三维交织结构的骨架；在骨架外部，采用多种核射线屏蔽材料制备的3D打印专用材料打印出外侧填充结构；在骨架内部，采用光电材料制备的3D打印专用材料打印出内部填充结构；

步骤四：通过层层堆叠打印，直至加工出核辐射屏蔽的轻质增材样品。

2.根据权利要求1所述的一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，其特征在于，所述骨架采用含氢聚合物轻质材料。

3.根据权利要求2所述的一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，其特征在于，所述骨架材料具有一定的快中子慢化和力学性能，骨架材料采用聚乙烯、聚醚醚酮、尼龙、环氧树脂和聚酯纤维中任意一种单材料或至少两种材料组合的混合材料。

4.根据权利要求1所述的一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，其特征在于，所述多种核射线屏蔽材料采用针对中子、低能伽马及X射线的吸收材料。

5.根据权利要求4所述的一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，其特征在于，所述多种核射线屏蔽材料是两类材料的组合，一类针对慢中子吸收用的材料，采用单质硼、碳化硼、氮化硼中的一种单材料或至少两种组合的混合材料，另一类是针对低能伽马和X射线屏蔽用的材料，采用钨、碳化钨、铅、氧化铋中的一种单材料或至少两种组合的混合材料。

6.根据权利要求1所述的一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，其特征在于，所述光电材料采用三维致密的光电薄膜材料。

7.根据权利要求6所述的一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，其特征在于，所述光电材料采用钙钛矿、Mxene中的单材料或这两类材料组合的混合材料。

8.根据权利要求1所述的一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，其特征在于，所述多种核射线屏蔽材料通过设计若干种方案并利用粒子输运计算软件进行核辐射仿真计算，根据最优解得到最佳的骨架外填充方案。

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