含硼聚乙烯复合材料屏蔽性能的研究

李龙 罗晓渭 王霞 李小明 郭朝选（中国辐射防护研究院，山西 太原 030006）

含硼聚乙烯复合材料屏蔽性能的研究

李龙 罗晓渭 王霞 李小明 郭朝选（中国辐射防护研究院，山西 太原 030006）

聚乙烯中掺杂碳化硼制备一种新型屏蔽材料，通过实验探究掺杂的碳化硼颗粒粒径，以及碳化硼在所制备的样品中的分布状态，最后利用中子源对样品进行屏蔽性能研究，探索材料厚度对屏蔽效果的影响。本研究为含硼聚乙烯新型复合材料在核防护工程中的应用提供了有力的理论数据支撑，并为进一步研究奠定了基础。

聚乙烯；碳化硼；中子屏蔽；粒径；厚度

碳化硼有非常好的化学稳定性，同时是一种优秀的中子吸收物质，其良好的中了吸收能力主要是依靠碳化硼中的10B。硼聚乙烯复合材料是一种新型的中子屏蔽材料，聚乙烯是碳氢化合物，含氢量高，对快中子有良好的慢化作用，硼则吸收热中子[1-3]。硼聚乙烯复合材料对宽能量谱及单峰能量谱的中子均有较好的屏蔽效果，硼聚乙烯复合材料有良好的机械加工及热加工性能，可方便地加工或组装成各种形状，因此对各种能量谱和工况的中子源屏蔽具有良好的适应性[4]。该复合材料市场需求广阔，可应用于舰船反应堆生物屏蔽、研究堆的中子源、中子通道的屏蔽及石油化工、环境试验仓中子源屏蔽等。

本文通过制备一种新型碳化硼聚乙烯复合材料并对其物理性能以及材料厚度对屏蔽效果的影响进行研究，为材料的工程现场应用提供数据支撑。

1 样品制备及检测方法：

1.1 制备材料及方法：

用台秤分别称取超高分子聚乙烯45kg，碳化硼粉末5kg，重量比为9:1；在搅拌机中低速预混1分钟，之后加入乙烯基硅氧烷偶联剂20ml，高速混料4分钟。混料结束后，在室温环境下放置2小时，使其充分耦合；将混合料放入预制模具中，升温加压制备样品，最后出模修整边角；按上述步骤分别制备按重量比碳化硼的含量为10%，20%，30%，40%，50%的样品，各样品分别制备厚度为10mm，20mm，30mm，40mm，50mm的五种厚度的样品。

1.2 碳化硼颗粒粒度检测

本实验选用325目的碳化硼样品，激光粒度分析仪进行检测。

1.3 碳化硼均匀性检测

本实验采用TG-328A光学分析天平对样品均匀性进行检测。

1.4 碳化硼聚乙烯材料样品对中子屏蔽效果检测

本实验在温度为24℃，相对湿度55%的环境下进行检测。实验原理及方法：

待测样品利用252Cf放射性核素中子源进行检测。通过在有/无待测样品时长计数器净计数率（效应计数率减去室散射中子本底计数率）的变化反映待测材料对中子的屏蔽性能。

2 实验结果及讨论

2.1 碳化硼颗粒粒度检测结果

经过检测碳化硼平均比表面积为0.517m2/g，表面积平均粒径为11.608μm，体平均粒径为40.391μm。碳化硼颗粒随着粒径的增大而逐步增大，当粒径达到39.8μm时此粒径的粒子在总体积中所占的比例最大达到7%，而之后随着粒径的进一步增大颗粒所占的体积也逐渐减小，基本不存在粒径大于150μm的颗粒。

2.2 碳化硼均匀性检测结果

样品整体密度为1.03g/cm3,同一样品不同部位的密度没有明显变化，所选取的对照组样品同一部位密度也没有明显差异。

2.3 碳化硼聚乙烯材料样品对中子屏蔽效果检测

通过检测结果可以发现在硼粒子浓度一定的情况下屏蔽层厚度由10mm递增至50mm，中子透过率由76.3%递减至25.2%出现明显下降。但是增加相同厚度的屏蔽层材料中子下降的比例并不是按比例下降。在屏蔽层达到一定程度后想要继续屏蔽掉相同剂量的中子，需要增加更厚的屏蔽材料才能够达到理想的效果。

3 结语

本研究设计在聚乙烯中掺杂碳化硼制备一种具有中子屏蔽效果的新型屏蔽材料，并通过一系列实验证明，制备材料所掺杂的碳化硼颗粒较为精细，粒径测试结果显示以小颗粒为主。通过样品均匀性检测证实所制备样品中碳化硼的分布非常均匀，样品不同部位的密度基本无明显差异。最后对样品使用中子源进行中子屏蔽性能检测结果证实样品具备屏蔽中子的效果，同时随着样品厚度的增加中子屏蔽效果明显增加，但是当厚度达到一定程度后屏蔽相同量的中子需要增加跟多厚度的样品。研究为含硼聚乙烯材料在辐射防护工程中应用提供了一定的理论支持。

[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]张卫江.富集硼10同位素的应用[c][J].第四届中国核学会省市区“三核”论坛报告论文集,2007.

[4]何国龙.碳化硼/铅复合屏蔽材料的制备与性能研究[D].大连理工大学,2013.

李龙（1988-），男，汉族，内蒙古集宁市，中国辐射防护研究院，研究实习员，硕士研究生，研究方向：辐射防护。