供稿人：張夢慧、曹毅 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2024-12-18
核能是安全、清潔、低碳、高能量密度的戰(zhàn)略能源，在能源、醫(yī)療、工業(yè)等各領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。核能技術(shù)的蓬勃發(fā)展對帶動裝備制造業(yè)走向高端、推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展、確保能源安全意義重大。
隨著核能技術(shù)朝著小型化、輕量化和可移動發(fā)展，首先需要解決輻射屏蔽的小型化和輕量化問題，尤其是中/光子具有不同屏蔽機(jī)理所帶來的多射線綜合屏蔽難題，已經(jīng)成為阻礙核能小型化的技術(shù)難題之一。最近研究表明，聚乙烯、聚丙烯、石蠟等為代表的聚合物屏蔽材料具有輕質(zhì)、安全、易加工的特點，將這種聚合物屏蔽材料大量應(yīng)用在屏蔽領(lǐng)域，可有效屏蔽中子屏蔽。其中，復(fù)合材料是由多種功能材料復(fù)合而成，原理上可以復(fù)合多種屏蔽材料的不同功能特性，在輻射屏蔽領(lǐng)域引起了廣泛研究。
為了解決γ和中子多射線并行屏蔽多射線的材料和制造問題，西安交通大學(xué)李滌塵團(tuán)隊提出了針對高性能中/光子多射線輻射屏蔽聚醚醚酮復(fù)合材料3D打印性能研究，采用高性能聚合物聚醚醚酮（PEEK）為基體，碳化硼和鎢為屏蔽增強(qiáng)材料，設(shè)計了具有中子、γ射線吸收功能的多射線并行屏蔽復(fù)合材料，通過FDM工藝成功制備了中/光子多射線輻射屏蔽構(gòu)件，開展了打印樣件的性能仿真和測試研究，實驗結(jié)果證明具有良好的綜合熱力學(xué)性能和輻射屏蔽性能，在輻射防護(hù)領(lǐng)域具有較好的研究意義和工程應(yīng)用價值。
（a）線性衰減系數(shù)的仿真值與測試值對比 （b）質(zhì)量衰減系數(shù)的仿真值與測試值對比
圖1 不銹鋼與屏蔽復(fù)材的光子屏蔽性能對比
首先，采用融指優(yōu)化、材料改性和螺桿擠出優(yōu)化方法，獲得了射線屏蔽功能填料含量高達(dá)約24vol%且孔隙在0.19%以下的多射線屏蔽復(fù)合材料的3D打印絲材。
圖2 優(yōu)化后螺桿擠出絲材微觀表征
通過優(yōu)化材料擠出成形的打印層高、線重疊率、填充流量參數(shù)，使得B4C/W/PEEK屏蔽復(fù)材的打印孔隙率均低于2%以下，提高了屏蔽試樣的成型質(zhì)量。同時，B4C/W/PEEK屏蔽復(fù)合材料的3D打印力學(xué)試樣的抗拉強(qiáng)度為37.57~57.28MPa，抗彎強(qiáng)度為49.40~130.49MPa。
圖3 優(yōu)化打印工藝參數(shù)對孔隙率的影響
本研究開展了面向中/光子多射線輻射屏蔽聚醚醚酮復(fù)合材料3D打印性能研究，設(shè)計并制備了可用于中/光子多射線屏蔽的復(fù)合材料及絲材。相較于等厚度的不銹鋼輻射屏蔽工程應(yīng)用材料，30wt%B4C/15wt%W/PEEK屏蔽復(fù)合材料在減重80%的情況下，對镅鈹中子源的屏蔽性能是不銹鋼的2.14倍，5wt%B4C/70wt%W/PEEK屏蔽復(fù)合材料在減重54.96%的情況下，對137Csγ射線的屏蔽性能約為不銹鋼的63%。相較于等質(zhì)量的不銹鋼屏蔽材料，B4C/W/PEEK屏蔽復(fù)合材料的對镅鈹中子源的最優(yōu)屏蔽性能是不銹鋼的3.55倍，對137Csγ射線的最優(yōu)屏蔽性能是不銹鋼的1.2倍。中子和光子的屏蔽測試結(jié)果與仿真結(jié)果具有良好的一致性，B4C/W/PEEK屏蔽復(fù)合材料具有良好的輕質(zhì)多射線屏蔽特性。