專利名稱：具有射線及中子綜合屏蔽效果的鎂基材料的制作方法
技術領域：
本發明屬于具有X、Y射線以及中子綜合屏蔽效果的鎂基屏蔽材料及其制備方法，特別是輕質量、多種屏蔽效果的屏蔽材料及制備方法。
背景技術：
隨著地球溫室效應的日趨嚴重，作為干凈清潔能源的核能其應用愈來愈受到重視。由于核反應堆會釋放大量堆人體有害的射線和中子輻射，應此需要采用屏蔽材料對核反應堆進行屏蔽，因此具有多種射線和中子綜合屏蔽材料的開發一直是核安全領域的重要課題。現有的X、Y射線和中子綜合屏蔽材料主要有鉛硼聚乙烯、B4CAn3復合材料、含鉛硼混凝土以及含硼不銹鋼。在鉛硼聚乙烯復合材料中，由于聚乙烯屬于高分子材料，軟化溫度為130°C，導致鉛硼聚乙烯復合材料的力學強度和耐熱性差，其抗拉強度為IOMI^a左右， 布氏硬度僅為3 4，嚴重制約了其應用；B4C/Pb復合材料是將Pb-X(X = Sb、Sn、Ag、Au、Cr 等)合金與B4C增強體通過粉末冶金或熔鑄成型法復合而成，可作為吸收中子、遮擋X、γ射線的材料，但強度和塑性較低，其抗拉強度為48. 2MPa，布氏硬度為22. 13，導致其不能單獨作為結構材料使用，而且難以制備出大尺寸的復合材料；含鉛硼混凝土重量大，可移動性較差，成分復雜；含硼不銹鋼對Y射線及中子的屏蔽性能比鐵優越，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，導致屏蔽系統總重增加，而提高硼含量對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存和運輸設備的結構材料，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，但都離不開硼與鉛兩基本元素。硼具有優越的屏蔽中子的特性。鉛對X、β、υ射線的吸收和散射最為強烈，既能屏蔽掉一次和二次 γ射線，也不會成為第二次放射源。二者結合是最理想的核輻射屏蔽材料。而鎂合金具有如下優越性輕量化、剛性較高、振動吸收性良好、電磁波絕緣性佳、散熱性良好、耐蝕性佳、 質感極佳、可回收使用。因此，利用鎂能與鉛、鋁、硼等合金元素的結合，開發出具有多重屏蔽效果、質量輕等特點的X、υ射線和中子綜合屏蔽材料，提高屏蔽材料的力學性能和屏蔽性能，不僅是核安全領域的重要研究課題，同時也是推廣核能應用的重要保障。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種具有射線及中子綜合屏蔽效果的鎂基材料及其制備方法，以鎂作為基體，起粘合劑的作用，將鉛、硼以物理冶金結合的方式結合成為復合材料，并利用鋁來提高材料的耐蝕性。解決本發明的技術問題所采用的技術方案是屏蔽材料由MgPbAl鎂基合金與硼或硼化物組成。所述屏蔽材料組成組分質量百分比為，硼或硼化物0.3% 10%，其余為鎂基合
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所述MgPbAl鎂基合金中各組分的質量百分比為Pb 20% 45%、A1 5% 20%、 余量為鎂。本發明上述的具有射線及中子綜合屏蔽效果的鎂基材料的制備工藝為先制備出 MgPbAl鎂基合金，最后添加硼或硼化物，使各個組元充分反應，以獲得組織細密，結合良好的具有射線及中子綜合屏蔽效果的鎂基屏蔽材料。制備過程中，應保證各組元充分反應。由于硼、鉛兩元素的物理和化學性質存在巨大差異，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、鋁復合制備出MgPbAl鎂基合金，再添加硼或硼化物，利用Mg、Al與硼或硼化物的互容性，實現鉛、硼的均質化，獲得MgPbAl-硼或硼化物鎂基射線/中子屏蔽材料。本發明的有益效果是通過元素Mg、Al和硼或硼化物的加入，利用Mg、Al與硼或硼化物的互容性，在提高力學性能的同時，獲得MgPbAl-硼或硼化物鎂基射線/中子屏蔽材料，其抗拉強度和硬度指標大大高于I^b-B4C復合材料和鉛硼聚乙烯，分別達到^5MPa 和146HBS，延伸率為10. 21%。同時具有X、Y射線和中子綜合屏蔽效果，厚度為20mm的 MgPbAl-硼或硼化物鎂基射線/中子屏蔽材料對能量為65KeV、118KeV和250KeV的X射線屏蔽率分別達到97. 95 %、99. 19 %和89. 48 %，有效地解決了能量介于40 88KeV之間“Pb 的弱吸收區”問題；對Y射線的屏蔽率為47. 37% (137Cs源)和31. 97% (6°Co源)沖子的屏蔽率高達90. 18% ；在1 和B含量較現有屏蔽材料低的情況下，單位質量的MgPbAl-硼或硼化物鎂基射線/中子屏蔽復合材料屏蔽效果優于HVB4C復合材料和含硼不銹鋼，而與鉛硼聚乙烯相當。實現MgPbAl-硼或硼化物鎂基射線/中子屏蔽材料的屏蔽功能-力學結構一體化。在提高屏蔽性能的同時實現屏蔽設施的簡化和輕量化。
圖1是本發明MgPbAl-硼鎂基射線/中子屏蔽材料的微觀組織掃描電鏡圖。圖2是本發明MgPbAl-硼化物鎂基射線/中子屏蔽材料的微觀組織掃描電鏡圖。
具體實施例方式實施例1 在熔煉爐中加入質量百分比為49%的Mg、44. 1 %的Pb和4. 9%的Al， 再添加2. 0%的硼。此時整個屏蔽材料中MgPbAl鎂基合金質量百分比為98% ；B為2% ； MgPbAl合金中各組成組分質量百分比為Mg 50%,Pb 45%,Al 5%。攪拌2 5min，使各組元充分反應生成。澆鑄制備成高強度MgPbAl-硼鎂基射線/中子屏蔽材料。測試效果如下①微觀組織特征經過對試樣表面處理(打磨一拋光一腐蝕)后，采用掃描電鏡 (型號為XL30ESEM-TMP)觀察分析試樣的微觀組織特征，如圖1所示。測試表明合金組織分布均勻，各相的界面結合狀況良好。②抗拉強度測試制備成測試試樣棒在拉伸力學試驗機上進行抗拉強度測試，測試結果表明=MgPbAl-硼鎂基射線/中子屏蔽材料的抗拉強度達到^5MPa，是HVB4C復合材料和鉛硼聚乙烯的6 30倍，見表1。延伸率為7. 35%。③布氏硬度測試在HB-3000型布氏硬度計上測定屏蔽材料的布氏硬度，測試結果表明=MgPbAl-硼鎂基射線/中子屏蔽材料的布氏硬度為146，是HVB4C復合材料和鉛硼聚乙烯的6 35倍，見表1。④屏蔽性能測試利用MG452型X射線系統進行X射線屏蔽性能檢測，X射線能量分別為65keV、lWkeV和250keV。利用、射線照射量標準裝置進行Y射線屏蔽性能的測試，放射源為mCs (射線能量661KeV)和6tlCo (射線能量1. 25MeV)。中子屏蔽實驗采用 PTff-UNIDOS電離室型標準劑量儀和Am-Be中子源慢化實驗裝置檢測。表2表明MgPbAl-硼鎂基射線/中子屏蔽材料對能量為、118KeV和250KeV的X射線屏蔽率分別達到 97. 95%,99. 19%和89. 48 %，有效地解決了能量介于40 88KeV之間“Pb的弱吸收區” 問題；對Y射線的屏蔽率為47.37% (137Cs源)和31.97% (6tlCo源)；中子的屏蔽率達 90. 18%。表3說明，在1 和B含量較現有屏蔽材料低的情況下，單位質量的MgPbAl-硼鎂基射線/中子屏蔽材料屏蔽效果優于純鉛和HVB4C復合材料，且與鉛硼聚乙烯相當。實施例2 在熔煉爐中加入質量百分比為的Mg、18%的Pb和18%的Al，再添加10%的硼化物。此時整個屏蔽材料中MgPbAl鎂基合金質量百分比為90% ；硼化物為 10%;MgPbAl合金中各組成組分質量百分比為Mg 60%,Pb 20%,A1 20%。攪拌2 5min， 使各組元充分反應生成。澆鑄制備成高強度MgPbAl-硼化物鎂基射線/中子屏蔽材料。測試效果如下①微觀組織特征經過對試樣表面處理(打磨一拋光一腐蝕)后，采用掃描電鏡 (型號為XL30ESEM-TMP)觀察分析試樣的微觀組織特征，如圖1所示。測試表明合金組織分布均勻，各相的界面結合狀況良好。②抗拉強度測試制備成測試試樣棒在拉伸力學試驗機上進行抗拉強度測試，測試結果表明=MgPbAl-硼化物鎂基射線/中子屏蔽材料的抗拉強度達到觀210^，見表1。延伸率為10. 21%。③布氏硬度測試在HB-3000型布氏硬度計上測定屏蔽材料的布氏硬度，測試結果表明=MgPbAl-硼化物鎂基射線/中子屏蔽材料的布氏硬度為140，見表1。④屏蔽性能測試利用MG452型X射線系統進行X射線屏蔽性能檢測，X射線能量分別為65keV、lWkeV和250keV。利用、射線照射量標準裝置進行Y射線屏蔽性能的測試，放射源為mCs (射線能量661KeV)和6tlCo (射線能量1. 25MeV)。中子屏蔽實驗采用 PTff-UNIDOS電離室型標準劑量儀和Am-Be中子源慢化實驗裝置檢測。表2表明MgPbAl-硼化物鎂基射線/中子屏蔽材料對能量為65KeV、118KeV和250KeV的X射線屏蔽率分別達到 77. 92%,79. 18%和 68.45% ；對 γ 射線的屏蔽率為 36. 81 % (137Cs 源)^P 21. 51% (60Co 源)；中子的屏蔽率達96. 78%。表3說明，在1 和B含量較現有屏蔽材料低的情況下，單位質量的MgPbAl-硼化物鎂基射線/中子屏蔽材料屏蔽效果優異。表1為本發明屏蔽材料的抗拉強度與布氏硬度對比表。表 1
材料名稱抗拉強度(MPa)布氏硬度延伸率(％ )MgPbAl-硼屏蔽材料2951467. 3權利要求
1.一種具有射線及中子綜合屏蔽效果的鎂基材料，其特征是其特征是屏蔽材料由 MgPbAl鎂基合金與硼或硼化物組成。
2.按權利要求1所述的具有射線及中子綜合屏蔽效果的鎂基材料，其特征是所述屏蔽材料組成組分質量百分比為，硼或硼化物0. 3% 10%，其余為鎂基合金。
3.按權利要求2所述的具有射線及中子綜合屏蔽效果的鎂基材料，其特征是所述 MgPbAl鎂基合金中各組分的質量百分比為Pb 20% 45%、Al 5% 20%、余量為鎂。
全文摘要
本發明屬于具有X、γ射線以及中子綜合屏蔽效果的鎂基屏蔽材料，特別是輕質量、多種屏蔽效果的屏蔽材料。屏蔽材料的組成為基體為鎂基合金MgPbAl(Pb20%～45%，Al5%～20%，余量為Mg，質量百分比)，硼或硼化物為中子吸收體。屏蔽材料的組分配比為鎂基合金的質量百分比在90%～99.7%之間，硼或硼化物的質量百分比在0.3%～10%之間。相比于傳統鎂基材料、Pb/B4C以及鉛硼聚乙烯復合材料，本發明的含硼或硼化物的鎂基屏蔽材料不僅具有優異的屏蔽X、γ射線和中子綜合屏蔽效果，而且其抗拉強度和布氏硬度遠高于現有的Pb-B聚乙烯和Pb-B4C復合屏蔽材料。
文檔編號C22C23/00GK102260812SQ20111018844
公開日2011年11月30日 申請日期2011年7月6日 優先權日2011年7月6日
發明者何建洪, 孫勇, 彭明軍, 段永華 申請人:昆明理工大學, 昆明理工峰潮科技有限公司