具有射線及中子綜合屏蔽效果的鋁基材料制造技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)屬于具有X、γ射線以及中子綜合屏蔽效果的鋁基屏蔽材料，特別是高強(qiáng)度、輕質(zhì)量、多種屏蔽效果的屏蔽材料。屏蔽材料的組成為：基體為鋁基合金AlMgPb(Mg15%～30%，Pb15%～35%，余量為鋁，質(zhì)量百分比)，硼或硼化物為中子吸收體。屏蔽材料的組分配比為：鋁基合金的質(zhì)量百分比在90%～99.7%之間，硼或硼化物的質(zhì)量百分比在0.3%～10%之間。相比于傳統(tǒng)鋁基材料、Pb/B4C以及鉛硼聚乙烯復(fù)合材料，本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)的含硼或硼化物的鋁基屏蔽材料不僅具有優(yōu)異的屏蔽X、γ射線和中子綜合屏蔽效果，而且其抗拉強(qiáng)度和布氏硬度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的Pb-B聚乙烯和Pb-B4C復(fù)合屏蔽材料。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
具有射線及中子綜合屏蔽效果的鋁基材料
本專(zhuān)利技術(shù)屬于具有X、γ射線以及中子綜合屏蔽效果的鋁基屏蔽材料及其制備方法，特別是輕質(zhì)量、多種屏蔽效果的屏蔽材料及制備方法。
技術(shù)介紹
隨著地球溫室效應(yīng)的日趨嚴(yán)重，作為干凈清潔能源的核能其應(yīng)用愈來(lái)愈受到重視。由于核反應(yīng)堆會(huì)釋放大量堆人體有害的射線和中子輻射，應(yīng)此需要采用屏蔽材料對(duì)核反應(yīng)堆進(jìn)行屏蔽，因此具有多種射線和中子綜合屏蔽材料的開(kāi)發(fā)一直是核安全領(lǐng)域的重要課題。現(xiàn)有的X、γ射線和中子綜合屏蔽材料主要有鉛硼聚乙烯、B4C/Pb復(fù)合材料、B4C/Al復(fù)合材料以及含硼不銹鋼。在鉛硼聚乙烯復(fù)合材料中，由于聚乙烯屬于高分子材料，軟化溫度為130℃，導(dǎo)致鉛硼聚乙烯復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度和耐熱性差，其抗拉強(qiáng)度為10MPa左右，布氏硬度僅為3～4，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用；B4C/Pb復(fù)合材料是將Pb-X(X＝Sb、Sn、Ag、Au、Cr等)合金與B4C增強(qiáng)體通過(guò)粉末冶金或熔鑄成型法復(fù)合而成，可作為吸收中子、遮擋X、γ射線的材料，但強(qiáng)度和塑性較低，其抗拉強(qiáng)度為48.2MPa，布氏硬度為22.13，導(dǎo)致其不能單獨(dú)作為結(jié)構(gòu)材料使用，而且難以制備出大尺寸的復(fù)合材料；B4C/Al復(fù)合材料由于以B4C陶瓷為承載體，此類(lèi)復(fù)合材料塑性較差，且存在B4C均勻化以及它與鋁基體的界面結(jié)合等問(wèn)題，又由于Pb的缺失，對(duì)射線的屏蔽效果也存在缺陷；含硼不銹鋼對(duì)γ射線及中子的屏蔽性能比鐵優(yōu)越，但由于硼含量偏低，中子吸收效果不理想，不得不增加含硼不銹鋼的厚度，導(dǎo)致屏蔽系統(tǒng)總重增加，而提高硼含量對(duì)含硼不銹鋼合金的延展性和沖擊抗力有不利影響，限制了含硼不銹鋼用作乏燃料儲(chǔ)存和運(yùn)輸設(shè)備的結(jié)構(gòu)材料，此外，不銹鋼中的鉻，鎳，錳等元素，受中子輻照后活化，反應(yīng)堆停堆后須限制人員接近。盡管有各種射線和中子綜合屏蔽材料，但都離不開(kāi)硼與鉛兩基本元素。硼具有優(yōu)越的屏蔽中子的特性。鉛對(duì)X、β、γ射線的吸收和散射最為強(qiáng)烈，既能屏蔽掉一次和二次γ射線，也不會(huì)成為第二次放射源。二者結(jié)合是最理想的核輻射屏蔽材料。而鋁合金具有輕量化、剛性較高、振動(dòng)吸收性良好、電磁波絕緣性佳、散熱性良好、耐蝕性佳等優(yōu)點(diǎn)。因此，通過(guò)鎂、鋁等元素的加入，將硼或硼化物與鉛復(fù)合，利用鋁合金的優(yōu)異特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出具有多重屏蔽效果、質(zhì)量輕等特點(diǎn)的X、γ射線和中子綜合屏蔽材料，提高屏蔽材料的力學(xué)性能和屏蔽性能，不僅是核安全領(lǐng)域的重要研究課題，同時(shí)也是推廣核能應(yīng)用的重要保障。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種具有射線及中子綜合屏蔽效果的鋁基材料及其制備方法，可使屏蔽材料的力學(xué)與屏蔽性能更高、加工生產(chǎn)更方便、制造成本更低廉。解決本專(zhuān)利技術(shù)的技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：屏蔽材料由AlMgPb鋁基合金與硼或硼化物組成。所述屏蔽材料的組分質(zhì)量百分比為：硼或硼化物0.3％～10％，其余為鋁基合金。所述AlMgPb鋁基合金中各組分的質(zhì)量百分比為Mg15％～30％、Pb15％～35％，余量為鋁。本專(zhuān)利技術(shù)上述的具有射線及中子綜合屏蔽效果的鋁基材料的制備工藝為：先制備出AlMgPb鋁基合金，最后添加硼或硼化物，使各個(gè)組元充分反應(yīng)，以獲得組織細(xì)密，結(jié)合良好的具有射線及中子綜合屏蔽效果的鋁基屏蔽材料。制備過(guò)程中，應(yīng)保證各組元充分反應(yīng)。由于硼、鉛兩元素的物理和化學(xué)性質(zhì)存在巨大差異，硼-鉛屬難混溶合金體系，很難將硼或硼化物均勻分布于鉛中。首先將鉛與鎂、鋁復(fù)合制備出AlMgPb鋁基合金，再添加硼或硼化物，利用Al基合金作為高強(qiáng)、高耐蝕的金屬承載體以及Mg與鉛和硼或硼化物的互容性，實(shí)現(xiàn)鉛、硼的均質(zhì)化，獲得AlMgPb-硼或硼化物鋁基射線/中子屏蔽材料。本專(zhuān)利技術(shù)的有益效果是：通過(guò)元素Mg、Al和硼或硼化物的加入，利用Al基合金作為高強(qiáng)、高耐蝕的金屬承載體以及Mg與硼或硼化物的互容性，獲得高強(qiáng)度的AlMgPb-硼或硼化物鋁基射線/中子屏蔽材料，其抗拉強(qiáng)度和硬度指標(biāo)大大高于Pb-B4C復(fù)合材料和鉛硼聚乙烯，分別達(dá)到228MPa和157HBS，延伸率為7.14％。同時(shí)具有X、γ射線和中子綜合屏蔽效果，厚度為20mm的高強(qiáng)度AlMgPb-硼或硼化物金屬基射線/中子屏蔽材料對(duì)能量為65KeV、118KeV和250KeV的X射線屏蔽率分別達(dá)到97.50％、97.65％和88.47％，有效地解決了能量介于40～88KeV之間“Pb的弱吸收區(qū)”問(wèn)題；對(duì)γ射線的屏蔽率為45.95％(137Cs源)和31.51％(60Co源)；中子的屏蔽率高達(dá)93.51％；在Pb和B含量較現(xiàn)有屏蔽材料低的情況下，單位質(zhì)量的AlMgPb-硼或硼化物鋁基射線/中子屏蔽復(fù)合材料屏蔽效果優(yōu)于Pb/B4C復(fù)合材料和含硼不銹鋼，而與鉛硼聚乙烯相當(dāng)。實(shí)現(xiàn)AlMgPb-硼或硼化物鋁基射線/中子屏蔽材料的屏蔽功能-力學(xué)結(jié)構(gòu)一體化。在提高屏蔽性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)屏蔽設(shè)施的簡(jiǎn)化和輕量化。附圖說(shuō)明圖1是本專(zhuān)利技術(shù)AlMgPb-硼鋁基射線/中子屏蔽材料的微觀組織掃描電鏡圖。圖2是本專(zhuān)利技術(shù)AlMgPb-硼化物鋁基射線/中子屏蔽材料的微觀組織掃描電鏡圖。具體實(shí)施方式實(shí)施例1：在熔煉爐中加入質(zhì)量百分比為48％的Al、33.6％的Pb和14.4％的Mg，再添加4.0％的硼。此時(shí)整個(gè)屏蔽材料中AlMgPb鋁基合金質(zhì)量百分比為96％；B為4％；AlMgPb合金中各組成組分質(zhì)量百分比為：Mg15％、Pb35％、Al50％。攪拌2～5min，使各組元充分反應(yīng)生成。澆鑄制備成高強(qiáng)度AlMgPb-硼鋁基射線/中子屏蔽材料。測(cè)試效果如下：①微觀組織特征：經(jīng)過(guò)對(duì)試樣表面處理(打磨→拋光→腐蝕)后，采用掃描電鏡(型號(hào)為XL30ESEM-TMP)觀察分析試樣的微觀組織特征，如圖1所示。測(cè)試表明：合金組織分布均勻，各相的界面結(jié)合狀況良好。②抗拉強(qiáng)度測(cè)試：制備成測(cè)試試樣棒在拉伸力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：AlMgPb-硼鋁基射線/中子屏蔽材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到228MPa，是Pb/B4C復(fù)合材料和鉛硼聚乙烯的5～20倍，見(jiàn)表1。延伸率為5.66％。③布氏硬度測(cè)試：在HB-3000型布氏硬度計(jì)上測(cè)定屏蔽材料的布氏硬度，測(cè)試結(jié)果表明：AlMgPb-硼鋁基射線/中子屏蔽材料的布氏硬度為157，是Pb/B4C復(fù)合材料和鉛硼聚乙烯的7～40倍，見(jiàn)表1。④屏蔽性能測(cè)試：利用MG452型X射線系統(tǒng)進(jìn)行X射線屏蔽性能檢測(cè)，X射線能量分別為65keV、118keV和250keV。利用γ射線照射量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行γ射線屏蔽性能的測(cè)試，放射源為137Cs(射線能量661KeV)和60Co(射線能量1.25MeV)。中子屏蔽實(shí)驗(yàn)采用PTW-UNIDOS電離室型標(biāo)準(zhǔn)劑量?jī)x和Am-Be中子源慢化實(shí)驗(yàn)裝置檢測(cè)。表2表明AlMgPb-硼鋁基射線/中子屏蔽材料對(duì)能量為65KeV、118KeV和250KeV的X射線屏蔽率分別達(dá)到97.50％、97.65％和88.47％，有效地解決了能量介于40～88KeV之間“Pb的弱吸收區(qū)”問(wèn)題；對(duì)γ射線的屏蔽率為45.95％(137Cs源)和31.51％(60Co源)；中子的屏蔽率高達(dá)93.51％。表3說(shuō)明，在Pb和B含量較現(xiàn)有屏蔽材料低的情況下，單位質(zhì)量的AlMgPb-硼鋁基射線/中子屏蔽材料屏蔽效果優(yōu)于純鉛和Pb/B4C復(fù)合材料。實(shí)施例2：在熔煉爐中加入質(zhì)量百分比為50.6％的Al、27.6％的Mg和本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
１．一種具有射線及中子綜合屏蔽效果的鋁基材料，其特征是：其特征是：屏蔽材料由ＡｌＭｇＰｂ鋁基合金與硼或硼化物組成。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種具有射線及中子綜合屏蔽效果的鋁基材料，其特征是：屏蔽材料由AlMgPb鋁基合金與硼或硼化物組成；所述屏蔽材料的組分質(zhì)量百分比為：硼...

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：孫勇，段永華，彭明軍，何建洪，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：昆明理工大學(xué)，昆明理工峰潮科技有限公司，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：53