碳化硼/鉛/聚乙烯復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性及屏蔽性能

關(guān)鍵詞 碳化硼；聚乙烯；復(fù)合材料；中子屏蔽性能；熱重測試

中圖分類號(hào)：O631；TL344 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0518（2024）06-0890-09

在現(xiàn)階段科技不斷發(fā)展的背景下，不同的工作環(huán)境對(duì)材料性能的要求越來越高。在高溫環(huán)境下，材料不僅要具有良好的力學(xué)性能，還要具備高熱穩(wěn)定性和優(yōu)良的屏蔽性能［1-2］?，F(xiàn)有的屏蔽材料可以分為單一材料和復(fù)合材料2種類型。單一材料常用的屏蔽材料包括鉛、鎢和鐵等。這些材料具有較高的密度和較好的屏蔽性能，可以有效吸收和阻擋各種輻射。然而，單一材料也存在一些局限性，如質(zhì)量大、形狀受限和成本較高等。相比之下，復(fù)合材料在滿足高熱穩(wěn)定性和屏蔽性能的同時(shí)，具有更輕、更靈活的特點(diǎn)。目前，已經(jīng)研究出多種復(fù)合材料用于屏蔽應(yīng)用，包括環(huán)氧樹脂［3］、石墨烯氣凝膠［4］、納米復(fù)合材料［5］和鉛硼聚乙烯［6］。由中國核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院第四研究所的研究可知，鉛硼聚乙烯由鉛+硼+高分子聚乙烯復(fù)合材料組成的新型屏蔽伽馬射線的屏蔽材料，具有優(yōu)良的屏蔽性能、耐久性和抗輻照性能，適用于各種需要同時(shí)屏蔽中子和γ 射線的場所。當(dāng)中子輻射作用于鉛硼聚乙烯時(shí)，高能中子輻射會(huì)導(dǎo)致材料中的離子和原子鍵斷裂，從而引起原子和分子的重排和損壞，這會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致材料的結(jié)構(gòu)退化，力學(xué)性能降低，甚至材料的完全失效。

有學(xué)者對(duì)中子屏蔽材料進(jìn)行了研究，龔軍軍等［7］制備了由環(huán)氧樹脂、碳化硼（B₄C）和聚丙烯酸鉛組成的新型耐高溫中子屏蔽復(fù)合材料，并在實(shí)驗(yàn)中分析了穿透率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著材料厚度的增加，不同材料的穿透率均呈現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)材料厚度為16 cm時(shí)，不同材料的穿透率在30%左右； 馬丹丹等［8］研究了熱壓微晶碳化硼材料中子屏蔽性能，該方法制備了多種不同硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的材料，并對(duì)材料應(yīng)用效果進(jìn)行了仿真測試，但該方法制備的材料無法抵抗較大劑量的中子輻射，且材料基礎(chǔ)性能較弱。綜合上述分析可知，當(dāng)前的復(fù)合材料在熱穩(wěn)定性和屏蔽性能方面仍存在一些挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步探索和改進(jìn)。石勇等［9］制備了高密度聚乙烯/鉛硼復(fù)合材料，研究結(jié)果顯示含約2%碳化硼的高密度聚乙烯/鉛硼復(fù)合材料在屏蔽性能和力學(xué)性能上均具備優(yōu)良表現(xiàn)。然而，除了密度和B₄C含量，還有其他因素對(duì)材料的性能產(chǎn)生影響，例如，溫度，文章中并未充分考慮，使得制備的材料會(huì)降低強(qiáng)度。

為了提高碳化硼/鉛/聚乙烯復(fù)合材料的性能［10］，本文結(jié)合鉛硼聚乙烯的制備和應(yīng)用中的各材料性能，在分析其熱穩(wěn)定性的同時(shí)，通過對(duì)已有復(fù)合材料中各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、形狀和結(jié)構(gòu)等參數(shù)的調(diào)整，探索最佳的屏蔽性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1. 1 儀器、材料和試劑

DHG-9053A型電熱鼓風(fēng)干燥箱（甘易儀器設(shè)備（上海）有限公司）；XK-160型開煉機(jī)（青島順富昌橡膠機(jī)械制造有限公司）；GQ-400型光譜切割機(jī)（濟(jì)南北方金鋒鋸業(yè)有限公司）；WAW-1000D型微機(jī)控制電液伺服液壓萬能試驗(yàn)機(jī)（時(shí)代試金（山東）科學(xué)儀器有限公司）；JB-500C型半自動(dòng)金屬擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)（深圳市時(shí)代之峰科技有限公司）；TGA-103型熱重分析儀（TGA，云科生物技術(shù)（泰州）有限公司）；Am-241/Be型中子源（上海茂涌同位素技術(shù)有限公司）；KY68B型中子劑量率儀（上海何亦儀器儀表有限公司）。

高密度聚乙烯（HDPE，5000S，上海厚德橡塑材料有限公司）；B₄C（ 180#，河北廣拓焊接材料有限公司）；鉛砂（0. 1 mm，濟(jì)南裕才化工有限公司）；抗氧劑（KY7910，受阻酚類，組成為四-［3-（3，5-二叔丁基-4-羥基苯基）丙酸］季戊四醇酯，濟(jì)南裕才化工有限公司）；硬脂酸鈣（工業(yè)級(jí)，成都萬象宏潤生物科技有限公司）；偶聯(lián)劑（KH500，γ-氨丙基三乙氧基硅烷，揚(yáng)州市立達(dá)樹脂有限公司）。

1. 2 復(fù)合材料樣品的制備

1. 2. 1 復(fù)合材料中各物質(zhì)的配比

屏蔽材料的效果與其密度有關(guān)，較高的密度通常意味著更好的屏蔽性能。同時(shí)，密度是材料的物理性質(zhì)之一，對(duì)材料的力學(xué)性能和加工性能等也會(huì)有影響［11-12］。通過控制密度5. 8 g/cm³附近，可以在滿足屏蔽性能要求的同時(shí)，兼顧其他重要的材料性能［13］。在制備碳化硼/鉛/聚乙烯復(fù)合材料時(shí)，由于所制備的不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的B₄C的復(fù)合材料具有不同的中子屏蔽效果，所以復(fù)合材料中B₄C的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是關(guān)鍵因素。為了進(jìn)一步分析B₄C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)碳化硼/鉛/聚乙烯復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性及屏蔽性能的影響，本文制備了下述4種與已有研究不同B₄C質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合材料Y1、Y2、Y3和Y4，詳細(xì)配比如表1所示。

1. 2. 2 制備流程

將100 g B₄C、200 g鉛砂、50 g聚乙烯以及5 g助劑放置在105 ℃烘箱內(nèi)，通過烘箱進(jìn)行4 h干燥，待冷卻后，按照表1中的配比稱量每種材料備用。由于碳化硼會(huì)對(duì)設(shè)備產(chǎn)生磨損、鉛砂可能在注塑過程中引起注射壓力下降的問題，采用開煉工藝制備碳化硼/鉛/聚乙烯復(fù)合材料。聚乙烯的熔點(diǎn)一般在120～135 ℃之間［14］，設(shè)置開煉機(jī)輥溫為150 ℃，將烘干后的聚乙烯顆粒熔融，之后分別添加B4C以及助劑，進(jìn)行8～10 min混煉，打三角包20次，下一步調(diào)整輥距，并逐次添加鉛砂，直到材料混合均勻； 稱量混合后的材料放置在模具內(nèi)，設(shè)置模具溫度為150 ℃，先按照5 MPa 預(yù)打壓，并進(jìn)行3 次放氣，之后打壓至20 MPa，停止加熱，并等待降溫至50 ℃后出模； 通過水平切割機(jī)對(duì)出模后的材料進(jìn)行切割，每種試樣材料切割厚度為4～20 mm之間，并晾干備用，測試4種試樣在不同切割厚度下的應(yīng)用效果。

1. 3 復(fù)合材料性能的測試分析

1. 3. 1 基礎(chǔ)性能測試

當(dāng)試樣制備完成后，先對(duì)每組試樣的基礎(chǔ)性能進(jìn)行分析。測試4組試樣在不同溫度狀態(tài)下的耐老化效果，其中，拉伸強(qiáng)度按照GB/T 1040-92標(biāo)準(zhǔn)測試使用啞鈴狀試樣進(jìn)行測試。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了試樣的形狀和尺寸，其中標(biāo)距為25 mm，寬度為6 mm，厚度通常為1～3 mm； 沖擊強(qiáng)度按照GB/T1043-93標(biāo)準(zhǔn)測試，使用無缺口試樣進(jìn)行測試。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了試樣的形狀和尺寸，為80 mm×10 mm×4 mm的矩形試樣； 斷裂伸長率按照GB/T 1040. 1-2006標(biāo)準(zhǔn)測試。通過試樣的基礎(chǔ)性能測試，分析其基本力學(xué)性能［15-16］。

1. 3. 2 熱重分析

通過熱重分析儀測試每組試樣的熱重變化，實(shí)驗(yàn)在N₂氣氛環(huán)境中完成，測試溫度在0～400 ℃之間，加熱速度為10 ℃/min。熱失重是指試樣在受熱過程中失去質(zhì)量的現(xiàn)象，通常用于評(píng)估材料的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。如果試樣的熱失重效果明顯，說明它在高溫下容易發(fā)生分解或氧化等反應(yīng)，失去部分或全部質(zhì)量。對(duì)于中子屏蔽材料而言，如果試樣的熱失重效果明顯［17-18］，會(huì)導(dǎo)致材料在高溫下失去對(duì)中子的屏蔽能力，從而降低其屏蔽效果。這是因?yàn)橹凶悠帘尾牧贤ǔＰ枰邆湟欢ǖ馁|(zhì)量、密度和原子序數(shù)等參數(shù)，才能有效地吸收和散射中子，達(dá)到良好的屏蔽效果。而試樣在熱失重過程中，質(zhì)量和密度可能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致其屏蔽中子的能力減弱。

1. 3. 3 試樣中子屏蔽性能測試

將制備好的試樣分別放置在中子源和³He探測器之間，設(shè)置測試時(shí)間為1800 s，通過測試試樣放置前后的中子透過數(shù)，分析其中子屏蔽性能。

2 結(jié)果與討論

2. 1 試樣高溫基礎(chǔ)性能分析

測試4組試樣在不同溫度條件下的基礎(chǔ)性能變化，從4組試樣中選出厚度均為4 mm的試樣進(jìn)行測試，測試結(jié)果如表2所示。

通過表2分析可知，不同試樣在高溫老化測試下，實(shí)驗(yàn)溫度越高，每組試樣的各項(xiàng)指標(biāo)均有所下降，說明受溫度影響，試樣的基礎(chǔ)性能會(huì)有所改變； 而在4組試樣中，Y1組試樣的基礎(chǔ)性能在高溫狀態(tài)下明顯較弱，隨著試樣中B4C質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，試樣拉伸強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度和斷裂伸長率也有所增強(qiáng)，當(dāng)B₄C質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到6%時(shí)，即Y4試樣，其基礎(chǔ)指標(biāo)均保持在較高水平，拉伸強(qiáng)度高達(dá)32 MPa，沖擊強(qiáng)度為26 kJ/m²，且當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，該組試樣仍然能夠保持良好的基礎(chǔ)性能，由此可見，當(dāng)B₄C質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，試樣的基礎(chǔ)性能越好。

2. 2 試樣熱穩(wěn)定性分析

測試4組試樣在不同溫度下的熱穩(wěn)定性變化，選取制備好的復(fù)合材料樣品Y1、Y2、Y3和Y4，同樣測試每組試樣中厚度為4 mm的試樣，一次性測試取樣質(zhì)量為10 mg，將樣品放入TGA測試儀器中，按照預(yù)設(shè)的程序進(jìn)行測試，并通過熱重曲線表示，具體如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，當(dāng)測試溫度處于100 ℃以下時(shí)，4組試樣的質(zhì)量損失均較小，當(dāng)溫度升高后，每組試樣的失重曲線均開始下降，其中，Y1試樣的質(zhì)量損失最大，當(dāng)測試溫度達(dá)到400 ℃時(shí)，其質(zhì)量已經(jīng)下降至20% 以下； 而Y2、Y3 以及Y4 組試樣的質(zhì)量損失要低于Y1 組試樣，其中Y4 組試樣在測試溫度為400 ℃時(shí)的質(zhì)量處于50%以上，因此，Y4組試樣在高溫環(huán)境下仍然能夠保持良好的熱穩(wěn)定性。

2. 3 試樣中子屏蔽性能分析

２. 3. 1 試樣熱中子屏蔽率

分析4組不同厚度的試樣在輻射測試過程中的熱中子屏蔽效果，在核聚變過程中，輕原子核（如氫、氦等）融合成較重的核，并釋放巨大的能量。碳化硼/鉛/聚乙烯復(fù)合材料能量釋放的范圍達(dá)到100 MeV。

根據(jù)該能量釋放的范圍，分析試樣熱中子屏蔽率，結(jié)果如圖2所示。試樣的厚度越大，其熱中子屏蔽率則會(huì)同樣增高，這是由于試樣在較大厚度時(shí)會(huì)明顯隔絕較多的中子輻射，從而增強(qiáng)試樣的中子屏蔽能力；在4組試樣中，B₄C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的Y1組試樣對(duì)中子屏蔽效果較弱，當(dāng)Y1組試樣的厚度達(dá)到20 mm時(shí)，其熱中子屏蔽率最高未達(dá)到60%，而其他組試樣在該厚度下屏蔽率達(dá)到60%以上，因此隨著B₄C質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，試樣的中子屏蔽效果也隨之增強(qiáng)，其中，Y4組試樣的熱中子屏蔽率最高達(dá)到80%，保持良好的屏蔽性能。

2. 3. 2 試樣總中子屏蔽率

當(dāng)輻射發(fā)生時(shí)，不僅存在熱中子這一種類型，因此，為了全面評(píng)估試樣對(duì)中子的屏蔽效果，采用了總中子屏蔽率這一指標(biāo)，具體測試結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可知，在試樣厚度較大情況下，試樣對(duì)總中子的屏蔽率同樣保持在較高水平，其中，4組試樣的最高總中子屏蔽率達(dá)到66%左右，說明碳化硼/鉛/聚乙烯復(fù)合材料制備的屏蔽材料具有良好的中子屏蔽效果，但由于B₄C質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同，每組試樣的中子屏蔽效果存在細(xì)微偏差，通過圖3可以看出，Y4組試樣的總中子屏蔽率明顯更高，說明B₄C質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到6%時(shí)，試樣的中子屏蔽能力更強(qiáng)。

2. 3. 3 試樣劑量穿透率分析

對(duì)每組試樣中厚度為20 mm的試樣進(jìn)行研究，測試同樣厚度試樣在不同中子能量輻射狀態(tài)下的劑量穿透率變化情況，測試結(jié)果如圖4所示。根據(jù)圖4可知，當(dāng)中子劑量由1. 0×10^-7 MeV達(dá)到1. 0×10^-3 MeV時(shí)，4組試樣的中子劑量穿透率均呈現(xiàn)上升狀態(tài)，但當(dāng)中子劑量達(dá)到0. 1 MeV時(shí)，每組試樣的劑量穿透率達(dá)到最小，而中子劑量上升至10 MeV時(shí)，4組試樣的劑量穿透率達(dá)到最大。在4組試樣中，Y4試樣的中子劑量穿透率始終保持最小狀態(tài)，在中子劑量為10 MeV時(shí)，Y1試樣的中子劑量穿透率達(dá)到1. 6%以上，而Y4試樣僅為0. 6%以下，由此可以看出，Y4試樣在中子劑量較大狀態(tài)下，仍然能夠保持較好的中子隔離效果。

2. 3. 4 γ 射線屏蔽率分析

測試4組不同厚度的試樣在輻射試驗(yàn)過程中的γ 射線屏蔽率變化，從而驗(yàn)證每組試樣的屏蔽效果，測試結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5可知，當(dāng)4組試樣的厚度均為4 mm時(shí)，每組試樣對(duì)γ 射線的屏蔽率保持在22%～25%之間，處于較低水平，但當(dāng)試樣厚度較大時(shí)，每組試樣屏蔽γ 射線的能力也有所增強(qiáng)，當(dāng)試樣厚度達(dá)到20 mm時(shí)，Y1?Y4組試樣的γ 射線屏蔽率達(dá)到28%～38%之間，保持良好的屏蔽性能，其中，Y2?Y4組試樣整體γ 射線屏蔽效果較為良好，而添加3%B₄C的Y1組試樣γ 射線屏蔽效果較弱。

2. 3. 5 γ 光子透射通量分析

對(duì)每組試樣中厚度為20 mm 的試樣進(jìn)行分析，分析在不同次級(jí)γ 射線能量的輻射下，每組試樣的γ 光子透射通量，試樣γ 光子透射通量越大，說明試樣對(duì)輻射的屏蔽性能越弱，分析結(jié)果如圖6所示。根據(jù)圖6可知，當(dāng)次級(jí)γ 射線能量在0. 4 MeV以下時(shí)，每組試樣的γ 光子透射通量均保持較小水平，而次級(jí)γ 射線能量達(dá)到0. 5 MeV左右時(shí)，每組試樣γ 光子透射通量迅速放大，并逐漸減小，說明在此時(shí)試樣出現(xiàn)了較大強(qiáng)度的輻射，在4組試樣中可以明顯看出，Y4試樣的γ 光子透射通量放大程度明顯低于其他幾種試樣，為此該組試樣對(duì)γ 射線的屏蔽性能可以始終保持較好水平。

3 結(jié)論

具有良好性能的抗輻射材料可以應(yīng)用至多種領(lǐng)域，為此，通過制備不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳化硼/鉛/聚乙烯復(fù)合材料，并對(duì)每種材料的應(yīng)用效果進(jìn)行測試，獲取屏蔽效果最佳的材料。通過實(shí)驗(yàn)分析得出，厚度為20 mm、碳化硼添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的復(fù)合材料，利用碳化硼對(duì)中子的吸收特性，提高了復(fù)合材料的輻射屏蔽性能。這種復(fù)合材料在提高中子屏蔽效果方面具有顯著的優(yōu)勢，該材料的研發(fā)對(duì)于核能、核醫(yī)學(xué)和核工業(yè)等領(lǐng)域具有重要意義。