近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院等離子體所霍志鵬副研究員及其指導(dǎo)的碩士研究生陳左陽(yáng)研制了一類微結(jié)構(gòu)可調(diào)的PbWO4增強(qiáng)B4C/HDPE復(fù)合材料，通過(guò)精細(xì)調(diào)控PbWO4填料的微結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中子和γ射線協(xié)同屏蔽性能的提升，并闡明了材料的微結(jié)構(gòu)與熱、力學(xué)、輻射屏蔽性能及服役耐久性之間的關(guān)聯(lián)機(jī)制。相關(guān)研究成果發(fā)表在材料科學(xué)TOP期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing上，并申請(qǐng)了1項(xiàng)發(fā)明專利。
 

　　隨著核能應(yīng)用、放射治療及太空探索等領(lǐng)域的快速發(fā)展，輻射防護(hù)材料的需求日益增長(zhǎng)。中子和γ射線是兩種常見(jiàn)的電離輻射，對(duì)人體和設(shè)備具有嚴(yán)重危害。傳統(tǒng)防護(hù)材料往往只能針對(duì)單一輻射類型，或存在力學(xué)性能不足、耐老化性能差等問(wèn)題。如何開(kāi)發(fā)兼具高效輻射屏蔽、優(yōu)良力學(xué)性能及服役耐久性的復(fù)合屏蔽材料，成為當(dāng)前研究的挑戰(zhàn)。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)控反應(yīng)參數(shù)，合成了不同微結(jié)構(gòu)的具有規(guī)整形貌的PbWO4填料，并與形貌無(wú)規(guī)的商用填料對(duì)比，系統(tǒng)分析了填料微結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料各項(xiàng)性能的影響。PbWO4的結(jié)晶度和晶面生長(zhǎng)優(yōu)先度差異導(dǎo)致了不同的微結(jié)構(gòu)的形成。其中，微米粗糙球PbWO4-III填料因其表面富含次級(jí)微結(jié)構(gòu)，比表面積得到顯著提高。?高比表面積和均勻的粒徑分布，強(qiáng)化了填料與基體的界面相容性，使其具有最佳的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能。
 

　　此外，?PbWO4晶體可通過(guò)WO42-基團(tuán)中O和W原子之間的電荷轉(zhuǎn)移躍遷產(chǎn)生紫外吸收，增強(qiáng)了復(fù)合材料的抗紫外老化能力。Pb和W元素不但能高效吸收伽馬光子，而且在快中子能區(qū)的中子總截面高于B元素，而B(niǎo)元素對(duì)熱中子的吸收截面要高于Pb和W。因此，通過(guò)Pb、W和B元素的組合可實(shí)現(xiàn)對(duì)快、慢、熱中子和伽馬射線的協(xié)同屏蔽。而填料微結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提升了材料與輻射粒子的相互作用概率，增強(qiáng)了PbWO4、B4C和HDPE的協(xié)同屏蔽效應(yīng)。性能最優(yōu)的微米粗糙球PbWO4-III/B4C/HDPE復(fù)合材料在15cm的厚度下，對(duì)252Cf中子源和137Cs伽馬源的屏蔽率分別達(dá)到97.32 %和76.43 %，表現(xiàn)出最佳的中子總截面和線性衰減系數(shù)。
 

　　該研究通過(guò)PbWO?填料的微結(jié)構(gòu)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合材料性能的定向優(yōu)化，將PbWO?、B4C與HDPE結(jié)合，克服了傳統(tǒng)材料難以同時(shí)屏蔽寬能區(qū)中子和γ射線的局限性，為高性能輻射防護(hù)材料的設(shè)計(jì)提供了新思路。
 

　　該研究得到了安徽省生態(tài)環(huán)境科研項(xiàng)目、安徽省高校協(xié)同創(chuàng)新項(xiàng)目、聚變堆主機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)綜合研究設(shè)施和合肥綜合性國(guó)家科學(xué)中心能源研究院(安徽省能源實(shí)驗(yàn)室)等項(xiàng)目的資助。
 

　　圖1.(a)微米紡錘PbWO4-I、(b)微米球PbWO4-II、(c)微米粗糙球PbWO4-III、(d)商用PbWO4的SEM圖像

 

圖2. PbWO4增強(qiáng)含硼聚乙烯復(fù)合材料的中子伽馬協(xié)同屏蔽機(jī)制示意圖
 

　　圖3. PbWO4增強(qiáng)含硼聚乙烯復(fù)合材料的實(shí)測(cè)中子(a)和伽馬射線衰減曲線(b)