含硼聚乙烯復合材料屏蔽性能的研究

李龍 羅曉渭 王霞 李小明 郭朝選（中國輻射防護研究院，山西 太原 030006）

含硼聚乙烯復合材料屏蔽性能的研究

李龍 羅曉渭 王霞 李小明 郭朝選（中國輻射防護研究院，山西 太原 030006）

聚乙烯中摻雜碳化硼制備一種新型屏蔽材料，通過實驗探究摻雜的碳化硼顆粒粒徑，以及碳化硼在所制備的樣品中的分布狀態(tài)，最后利用中子源對樣品進行屏蔽性能研究，探索材料厚度對屏蔽效果的影響。本研究為含硼聚乙烯新型復合材料在核防護工程中的應用提供了有力的理論數據支撐，并為進一步研究奠定了基礎。

聚乙烯；碳化硼；中子屏蔽；粒徑；厚度

碳化硼有非常好的化學穩(wěn)定性，同時是一種優(yōu)秀的中子吸收物質，其良好的中了吸收能力主要是依靠碳化硼中的10B。硼聚乙烯復合材料是一種新型的中子屏蔽材料，聚乙烯是碳氫化合物，含氫量高，對快中子有良好的慢化作用，硼則吸收熱中子[1-3]。硼聚乙烯復合材料對寬能量譜及單峰能量譜的中子均有較好的屏蔽效果，硼聚乙烯復合材料有良好的機械加工及熱加工性能，可方便地加工或組裝成各種形狀，因此對各種能量譜和工況的中子源屏蔽具有良好的適應性[4]。該復合材料市場需求廣闊，可應用于艦船反應堆生物屏蔽、研究堆的中子源、中子通道的屏蔽及石油化工、環(huán)境試驗倉中子源屏蔽等。

本文通過制備一種新型碳化硼聚乙烯復合材料并對其物理性能以及材料厚度對屏蔽效果的影響進行研究，為材料的工程現場應用提供數據支撐。

1 樣品制備及檢測方法：

1.1 制備材料及方法：

用臺秤分別稱取超高分子聚乙烯45kg，碳化硼粉末5kg，重量比為9:1；在攪拌機中低速預混1分鐘，之后加入乙烯基硅氧烷偶聯(lián)劑20ml，高速混料4分鐘。混料結束后，在室溫環(huán)境下放置2小時，使其充分耦合；將混合料放入預制模具中，升溫加壓制備樣品，最后出模修整邊角；按上述步驟分別制備按重量比碳化硼的含量為10%，20%，30%，40%，50%的樣品，各樣品分別制備厚度為10mm，20mm，30mm，40mm，50mm的五種厚度的樣品。

1.2 碳化硼顆粒粒度檢測

本實驗選用325目的碳化硼樣品，激光粒度分析儀進行檢測。

1.3 碳化硼均勻性檢測

本實驗采用TG-328A光學分析天平對樣品均勻性進行檢測。

1.4 碳化硼聚乙烯材料樣品對中子屏蔽效果檢測

本實驗在溫度為24℃，相對濕度55%的環(huán)境下進行檢測。實驗原理及方法：

待測樣品利用252Cf放射性核素中子源進行檢測。通過在有/無待測樣品時長計數器凈計數率（效應計數率減去室散射中子本底計數率）的變化反映待測材料對中子的屏蔽性能。

2 實驗結果及討論

2.1 碳化硼顆粒粒度檢測結果

經過檢測碳化硼平均比表面積為0.517m2/g，表面積平均粒徑為11.608μm，體平均粒徑為40.391μm。碳化硼顆粒隨著粒徑的增大而逐步增大，當粒徑達到39.8μm時此粒徑的粒子在總體積中所占的比例最大達到7%，而之后隨著粒徑的進一步增大顆粒所占的體積也逐漸減小，基本不存在粒徑大于150μm的顆粒。

2.2 碳化硼均勻性檢測結果

樣品整體密度為1.03g/cm3,同一樣品不同部位的密度沒有明顯變化，所選取的對照組樣品同一部位密度也沒有明顯差異。

2.3 碳化硼聚乙烯材料樣品對中子屏蔽效果檢測

通過檢測結果可以發(fā)現在硼粒子濃度一定的情況下屏蔽層厚度由10mm遞增至50mm，中子透過率由76.3%遞減至25.2%出現明顯下降。但是增加相同厚度的屏蔽層材料中子下降的比例并不是按比例下降。在屏蔽層達到一定程度后想要繼續(xù)屏蔽掉相同劑量的中子，需要增加更厚的屏蔽材料才能夠達到理想的效果。

3 結語

本研究設計在聚乙烯中摻雜碳化硼制備一種具有中子屏蔽效果的新型屏蔽材料，并通過一系列實驗證明，制備材料所摻雜的碳化硼顆粒較為精細，粒徑測試結果顯示以小顆粒為主。通過樣品均勻性檢測證實所制備樣品中碳化硼的分布非常均勻，樣品不同部位的密度基本無明顯差異。最后對樣品使用中子源進行中子屏蔽性能檢測結果證實樣品具備屏蔽中子的效果，同時隨著樣品厚度的增加中子屏蔽效果明顯增加，但是當厚度達到一定程度后屏蔽相同量的中子需要增加跟多厚度的樣品。研究為含硼聚乙烯材料在輻射防護工程中應用提供了一定的理論支持。

[1]Ning Z X L.Overview on the Properties,Preparation and Applications of Boron Carbide Materials[J][J].Cemented Carbide, 2006,2:016.

[2]Shu-wei W,LIU Y,LI J.Application of boron carbide in shielding materials for nuclear radiation[J][J].Journal of Functional Materials,2008,39:558-560.

[3]張衛(wèi)江.富集硼10同位素的應用[c][J].第四屆中國核學會省市區(qū)“三核”論壇報告論文集,2007.

[4]何國龍.碳化硼/鉛復合屏蔽材料的制備與性能研究[D].大連理工大學,2013.

李龍（1988-），男，漢族，內蒙古集寧市，中國輻射防護研究院，研究實習員，碩士研究生，研究方向：輻射防護。