一种高能射线屏蔽复合材料及其制备方法与流程

本发明涉及辐射防护技术领域，涉及一种高能射线屏蔽复合材料及其制备方法。

背景技术：

核电厂、核动力装置辐射场环境下有大量的x、γ射线、中子等高能射线，这些高能射线需要辐射防护屏蔽材料，目前常用的材料有铅硼聚乙烯、含硼聚丙烯、镉板、硼钢、钨基高比重合金、碳化硼和铝基碳化硼等材料，上述材料只有铅硼聚乙烯材料可以同时屏蔽x、γ射线及中子，其他材料只能对x、γ射线或中子中的一种具有屏蔽效果。

铅硼聚乙烯材料成分中含有大量的铅，由于铅无法降解，一旦进入环境很长时间仍保持其可用性，在环境中长期持久存在，又对生命组织有较强的潜在毒性，严重情况可能致人死亡。铅在很多国家被列为强污染源，很多国家核的确开始限制使用，所以急需一种可以无铅又可以防护x、γ射线及中子的材料。

技术实现要素：

为了克服以上现有技术中没有无铅又可以防护x、γ射线及中子的材料的问题，本发明的目的在于提供一种高能射线屏蔽复合材料，该高能射线屏蔽复合材料不含铅，又能屏蔽x、γ射线及中子。本发明另一目的在于提供一种高能射线屏蔽复合材料的制备方法，该方法采用热等静压烧结成形、挤压成形工艺制备，制备工艺简单，适合批量化生产。

为了达到以上目的，本发明采用以下技术方案：一种高能射线屏蔽复合材料，其原料包括三氧化钨粉末和纯钨粉末和碳化钨粉末中一种或几种、碳化硼粉末、纯铝粉和铝合金粉末中的一种或两种。

优选的是，所述铝合金粉末包括1100铝合金粉末和/或6061铝合金粉末。

上述任一方案优选的是，所述三氧化钨粉末和纯钨粉末和碳化钨粉末中一种或几种的粒度为：2-10μm。

上述任一方案优选的是，所述三氧化钨粉末和纯钨粉末和碳化钨粉末中一种或几种的粒度为2-5μm。

上述任一方案优选的是，所述三氧化钨粉末和纯钨粉末和碳化钨粉末中一种或几种的粒度为5-10μm。

上述任一方案优选的是，所述碳化硼粉末的粒度为：0.5-75μm。

上述任一方案优选的是，所述碳化硼粉末的粒度为0.5-45μm。

上述任一方案优选的是，所述碳化硼粉末的粒度为45-75μm。

上述任一方案优选的是，所述纯铝粉和铝合金粉末中的一种或两种粒度为：5-80μm。

上述任一方案优选的是，所述纯铝粉和铝合金粉末中的一种或两种粒度为5-20μm。

上述任一方案优选的是，所述纯铝粉和铝合金粉末中的一种或两种粒度为20-45μm。

上述任一方案优选的是，所述纯铝粉和铝合金粉末中的一种或两种粒度为45-80μm。

原料粉末的粒度如果低于本发明限定的下限，会出现成本高的问题，而且杂质含量高，从而会导致不能达到要求的组织结构，不能成形，不能制备得到想要的高能射线屏蔽材料；而如果超出限定的上限，也会存在不能达到要求的组织结构，不能成形，不能制备得到想要的高能射线屏蔽材料的问题。

上述任一方案优选的是，按质量百分比计，所述高能射线屏蔽复合材料的原料包括三氧化钨粉末和纯钨粉末和碳化钨粉末中一种或几种：5-40%，碳化硼粉末：40-5%，纯铝粉和铝合金粉末中的一种或两种：55-90%。

上述任一方案优选的是，所述高能射线屏蔽复合材料的原料包括不可避免带入的杂质。

上述任一方案优选的是，所述高能射线屏蔽复合材料的相对密度大于或等于99.8%。

另一方面，本发明还提供一种以上所述高能射线屏蔽复合材料的制备方法，依次包括：

（1）原料粉末配制步骤：将三氧化钨粉末和纯钨粉末和碳化钨粉末中一种或几种、碳化硼粉末、纯铝粉和铝合金粉末中的一种或两种混合均匀，得到混合粉末；

（2）热等静压成形烧结步骤：将所述混合粉末装入包套、抽真空、密封、热等静压处理，得到热等静压坯料；

（3）机加工步骤：将所述热等静压坯料，根据成品要求加工即可，得到成品高能射线屏蔽复合材料。

优选的是，所述原料粉末配制步骤中，原料混合时间为6-18小时。

上述任一方案优选的是，所述原料粉末配制步骤中，原料混合时间为6小时。

上述任一方案优选的是，所述原料粉末配制步骤中，原料混合时间为12小时。

上述任一方案优选的是，所述原料粉末配制步骤中，原料混合时间为18小时。

上述任一方案优选的是，所述热等静压成形烧结步骤中，抽真空温度为300-600℃。

上述任一方案优选的是，所述热等静成形烧结步骤中，抽真空温度为300以上，不高于600℃。除气效率更高，残留气体更少。

上述任一方案优选的是，热等静压处理时，压力为80-150mpa，温度为400-600℃，保温时间为1-4小时。保温时间更长，得到的坯料致密度更高，铝基体与三氧化钨、碳化硼的界面结合更加充分。

示例性地包套抽真空温度可以为：300℃、450℃、600℃；热等静压压力为：80mpa、120mpa、150mpa；热等静压温度为：400℃、500℃、600℃；热等静压保温时间为：1小时、2.5小时、4小时。热等静压处理时，如果限定的参数低于限定的下限，会出现不能成形的问题，不能得到想要的高能射线屏蔽材料；而高于限定的上限，尤其是温度高于上限，会导致原料状态发生变化，不能达到要求的组织结构，不能成形，而且对设备也会造成损坏。

上述任一方案优选的是，作为可选择的，在步骤（2）之后，步骤（3）之前，增加挤压成形步骤：将所述热等静压坯料根据要求进行挤压成形得到挤压坯料，步骤（3）为：将挤压坯料根据成品要求进行加工。是否需要挤压成形根据产品形状来定。

上述任一方案优选的是，制备的高能射线屏蔽复合材料相对密度大于等于99.8%。

本发明与现有技术方案相比具有以下有益效果：

（1）本发明的所述高能射线屏蔽复合材料及其制备方法，采用微米级粉末，容易购买，价格低廉。（2）本发明采用热等静成形与烧结同时进行，工序简单，材质均匀，材料致密度高，相对密度达到99.8%以上。（3）本发明的高能射线屏蔽复合材料同时具有屏蔽x、γ射线及中子双重效果。综上所述，采用本发明制备的高能射线屏蔽复合材料具有相对密度高、良好的x、γ射线及中子屏蔽性能等特点，可应用于核电厂、核动力装置等辐射防护领域，具有广泛的应用前景。

采用上述方法制备的高能线屏蔽复合材料相对密度大于等于99.8%，材料室温抗拉强度大于等于300mpa、屈服强度大于等于260mpa、延伸率大于等于3.5%。

附图说明

图1是按照本发明的高能射线屏蔽复合材料制备方法一优选实施例的流程图。

图2是按照本发明的高能射线屏蔽复合材料一优选实施例的微观组织图。

具体实施方式

为了更加准备地理解本发明的发明内容，下面结合附图及实施例进一步进行说明。

实施例1

该实施例提供的高能射线屏蔽复合材料的原料为（质量百分比）：粒度为2μm的三氧化钨粉末：5%，粒度为0.5μm碳化硼粉末：40%，粒度为5μm的1100铝合金粉末：55%。

本实施例的高能射线屏蔽复合材料的制备方法如图1所示，包括如下步骤：

（1）原料粉末配制步骤：将粒度为2μm三氧化钨粉50g、粒度为0.5μm的碳化硼粉400g，粒度为5μm的1100铝合金粉末550g混合均匀，混合时间为6小时得到1000g混合粉末；

（2）热等静压成形烧结步骤：将所述混合粉料装入包套、抽真空温度为300℃、密封、热等静压处理，压制压力为80mpa，温度为400℃，保温时间为1小时，得到热等静压坯料；

（3）挤压成形步骤：将去除包套的热等静压坯料根据图纸要求挤压成形；

（4）机加工步骤：根据成品图纸要求加工即可，得到成品；

本实施例制备的高能射线屏蔽复合材料的微观组织如图2所示，本实施例制备的高能射线屏蔽复合材料相对密度为99.8%，室温抗拉强度为305mpa、屈服强度为260mpa、延伸率为8.5%。并且，经过辐射实验，本实施例的高能射线屏蔽复合材料既能屏蔽x、γ射线，也能屏蔽中子。

实施例2

该实施例提供的高能射线屏蔽复合材料质量百分比为：三氧化钨粉末：40%，碳化硼粉末：5%，1100铝合金粉末：55%。

本实施例的高能射线屏蔽复合材料的制备方法如下：

（1）原料粉末配制步骤：将粒度为10μm三氧化钨粉400g、粒度为75μm的碳化硼粉50g，粒度为80μm的1100铝合金粉末550g混合均匀，混合时间为18小时得到1000g混合粉末；

（2）热等静压成形烧结步骤：将所述混合粉料装入包套、抽真空温度为300℃、密封、热等静压处理，压制压力为150mpa，温度为600℃，保温时间为4小时，得到热等静压坯料；

（3）挤压成形步骤：将去除包套的热等静压坯料根据图纸要求挤压成形；

（4）机加工步骤：根据成品图纸要求加工即可，得到成品；

本实施例制备的高能射线屏蔽复合材料相对密度为99.9%，室温抗拉强度为300mpa、屈服强度为265mpa、延伸率为3.5%。经过辐射实验，本实施例的高能射线屏蔽复合材料既能屏蔽x、γ射线，也能屏蔽中子。

实施例3

该实施例提供的高能射线屏蔽复合材料质量百分比为：三氧化钨粉末（或钨粉末、碳化钨粉末）：20%，碳化硼粉末：20%，1100铝合金粉末：60%。

本实施例的高能射线屏蔽复合材料的制备方法如下：

（1）原料粉末配制步骤：将粒度为5μm三氧化钨粉200g、粒度为25μm的碳化硼粉200g，粒度为30μm的1100铝合金粉末600g混合均匀，混合时间为12小时得到1000g混合粉末；

（2）热等静压成形烧结步骤：将所述混合粉料装入包套、抽真空温度为450℃、密封、热等静压处理，压制压力为130mpa，温度为500℃，保温时间为3小时，得到热等静压坯料；

（3）挤压成形步骤：将去除包套的热等静压坯料根据图纸要求挤压成形；

（4）机加工步骤：根据成品图纸要求加工即可，得到成品；

本实施例制备的高能射线屏蔽复合材料相对密度为99.9%，室温抗拉强度为350mpa、屈服强度为280mpa、延伸率为4%。经过辐射实验，本实施例的高能射线屏蔽复合材料既能屏蔽x、γ射线，也能屏蔽中子。

实施例4

该实施例提供的高能射线屏蔽复合材料质量百分比为：三氧化钨粉末：15%，碳化硼粉末：15%，1100铝合金粉末：70%。

本实施例的高能射线屏蔽复合材料的制备方法如下：

（1）原料粉末配制步骤：将粒度为8μm三氧化钨粉150g、粒度为35μm的碳化硼粉150g，粒度为50μm的1100铝合金粉末700g混合均匀，混合时间为16小时得到1000g混合粉末；

（2）热等静压成形烧结步骤：将所述混合粉料装入包套、抽真空温度为500℃、密封、热等静压处理，压制压力为120mpa，温度为450℃，保温时间为2小时，得到热等静压坯料；

（3）挤压成形步骤：将去除包套的热等静压坯料根据图纸要求挤压成形；

（4）机加工步骤：根据成品图纸要求加工即可，得到成品；

本实施例制备的高能射线屏蔽复合材料相对密度为100%，室温抗拉强度为360mpa、屈服强度为270mpa、延伸率为3.5%。经过辐射实验，本实施例的高能射线屏蔽复合材料既能屏蔽x、γ射线，也能屏蔽中子。

实施例5

该实施例提供的高能射线屏蔽复合材料质量百分比为：三氧化钨粉末：16%，碳化硼粉末：9%，1100铝合金粉末：75%。

本实施例的高能射线屏蔽复合材料的制备方法如下：

（1）原料粉末配制步骤：将粒度为9μm三氧化钨粉160g、粒度为45μm的碳化硼粉90g，粒度为60μm的1100铝合金粉末750g混合均匀，混合时间为14小时得到1000g混合粉末；

（2）热等静压成形烧结步骤：将所述混合粉料装入包套、抽真空温度为350℃、密封、热等静压处理，压制压力为90mpa，温度为480℃，保温时间为3小时，得到热等静压坯料；

（3）挤压成形步骤：将去除包套的热等静压坯料根据图纸要求挤压成形；

（4）机加工步骤：根据成品图纸要求加工即可，得到成品；

本实施例制备的高能射线屏蔽复合材料相对密度为99.8%，室温抗拉强度为320mpa、屈服强度为260mpa、延伸率为6%。经过辐射实验，本实施例的高能射线屏蔽复合材料既能屏蔽x、γ射线，也能屏蔽中子。

实施例6

该实施例提供的高能射线屏蔽复合材料质量百分比为：三氧化钨粉末：8%，碳化硼粉末：12%，1100铝合金粉末：80%。

本实施例的高能射线屏蔽复合材料的制备方法如下：

（1）原料粉末配制步骤：将粒度为4μm三氧化钨粉80g、粒度为55μm的碳化硼粉120g，粒度为70μm的1100铝合金粉末800g混合均匀，混合时间为17小时得到1000g混合粉末；

（2）热等静压成形烧结步骤：将所述混合粉料装入包套、抽真空温度为550℃、密封、热等静压处理，压制压力为100mpa，温度为550℃，保温时间为3.5小时，得到热等静压坯料；

（3）挤压成形步骤：将去除包套的热等静压坯料根据图纸要求挤压成形；

（4）机加工步骤：根据成品图纸要求加工即可，得到成品；

本实施例制备的高能射线屏蔽复合材料相对密度为99.9%，室温抗拉强度为330mpa、屈服强度为270mpa、延伸率为5%。经过辐射实验，本实施例的高能射线屏蔽复合材料既能屏蔽x、γ射线，也能屏蔽中子。

可以选择的是，以上实施例中的三氧化钨粉末可以替换成纯钨粉末、碳化钨粉末、三氧化钨粉末和纯钨粉末的混合物、三氧化钨粉末和碳化钨粉末的混合物、纯钨粉末和碳化钨粉末的混合物或三氧化钨粉末、纯钨粉末和碳化钨的混合物。

可以选择的是，上述实施例中的1100铝合金粉末可以替换成纯铝粉末、6061铝合金粉末、纯铝粉末和1100铝合金粉末的混合物、纯铝粉末和6061铝合金粉末的混合物、1100铝合金粉末和6061铝合金粉末的混合物或铝粉末、1100铝合金粉末和6061铝合金粉末的混合物。

当以上成分替换成混合物时，其中各成分的重量可以相同也可以任意其他比例。做出以上替换后，得到的高能射线屏蔽复合材料对x、γ射线及中子的屏蔽效果无实质性差别。

对比例1

该对比例提供的高能射线屏蔽复合材料的原料为（质量百分比）：三氧化钨粉末：3%，碳化硼粉末：12%，铝合金粉末：85%。

本实施例的高能射线屏蔽复合材料的制备方法如下：

（1）原料粉末配制步骤：将粒度为4μm三氧化钨粉30g、粒度为55μm的碳化硼粉120g，粒度为70μm的铝合金粉末850g混合均匀，混合时间为17小时得到1000g混合粉末；

（2）热等静压成形烧结步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为550℃、密封、热等静压处理，压制压力为100mpa，温度为550℃，保温时间为3.5小时，得到热等静压坯料；

（3）挤压成形步骤：将去除包套的热等静压坯料根据图纸要求挤压成形；

（4）机加工步骤：根据成品图纸要求加工即可，得到成品。

本实施例制备的高能射线屏蔽复合材料相对密度为99.9%，室温抗拉强度为310mpa、屈服强度为262mpa、延伸率为4%。

经辐射实验发现，该对比例的复合材料能屏蔽中子，但屏蔽x、γ射线效果极低。

对比例2

该对比例提供的高能射线屏蔽复合材料质量百分比为：三氧化钨粉末：50%，碳化硼粉末：12%，铝合金粉末：38%。

本实施例的高能射线屏蔽复合材料的制备方法如下：

（1）原料粉末配制步骤：将粒度为4μm三氧化钨粉（或钨粉、碳化钨粉）500g、粒度为55μm的碳化硼粉120g，粒度为70μm的铝合金粉末380g混合均匀，混合时间为17小时得到1000g混合粉末；

（2）热等静压成形烧结步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为550℃、密封、热等静压处理，压制压力为100mpa，温度为550℃，保温时间为3.5小时，得到热等静压坯料；

本实施例制备的高能射线屏蔽复合材料相对密度为70%，致密度太低，无法加工成型。

对比例3

该对比例提供的高能射线屏蔽复合材料质量百分比为：三氧化钨粉末：8%，碳化硼粉末：3%，铝合金粉末：89%。

本实施例的高能射线屏蔽复合材料的制备方法如下：

（1）原料粉末配制步骤：将粒度为4μm三氧化钨粉（或钨粉、碳化钨粉）80g、粒度为55μm的碳化硼粉30g，粒度为70μm的铝合金粉末890g混合均匀，混合时间为17小时得到1000g混合粉末；

（2）热等静压成形烧结步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为550℃、密封、热等静压处理，压制压力为100mpa，温度为550℃，保温时间为3.5小时，得到热等静压坯料；

（3）挤压成形步骤：将去除包套的热等静压坯料根据图纸要求挤压成形；

（4）机加工步骤：根据成品图纸要求加工即可，得到成品。

本实施例制备的高能射线屏蔽复合材料相对密度为100%，室温抗拉强度为340mpa、屈服强度为260mpa、延伸率为5.5%。

经辐射实验发现，该对比例的复合材料屏蔽中子、x、γ射线效果均很低，不能满足实际使用需求。

对比例4

该对比例提供的高能射线屏蔽复合材料质量百分比为：三氧化钨粉末：8%，碳化硼粉末：50%，铝合金粉末：42%。

本实施例的高能射线屏蔽复合材料的制备方法如下：

（1）原料粉末配制步骤：将粒度为4μm三氧化钨粉（或钨粉、碳化钨粉）80g、粒度为55μm的碳化硼粉500g，粒度为70μm的铝合金粉末420g混合均匀，混合时间为17小时得到1000g混合粉末；

（2）热等静压成形烧结步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为550℃、密封、热等静压处理，压制压力为100mpa，温度为550℃，保温时间为3.5小时，得到热等静压坯料；

本实施例制备的高能射线屏蔽复合材料相对密度为60%，致密度太低，无法加工成型。

对比例5

该对比例提供的高能射线屏蔽复合材料质量百分比为：三氧化钨粉末：43%，碳化硼粉末：12%，铝合金粉末：45%。

本实施例的高能射线屏蔽复合材料的制备方法如下：

（1）原料粉末配制步骤：将粒度为4μm三氧化钨粉（或钨粉、碳化钨粉）430g、粒度为55μm的碳化硼粉120g，粒度为70μm的铝合金粉末450g混合均匀，混合时间为17小时得到1000g混合粉末；

（2）热等静压成形烧结步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为550℃、密封、热等静压处理，压制压力为100mpa，温度为550℃，保温时间为3.5小时，得到热等静压坯料；

本实施例制备的高能射线屏蔽复合材料相对密度为55%，致密度太低，无法加工成型。

对比例6

该对比例提供的高能射线屏蔽复合材料质量百分比为：三氧化钨粉末：3%，碳化硼粉末：2%，铝合金粉末：95%。

本实施例的高能射线屏蔽复合材料的制备方法如下：

（1）原料粉末配制步骤：将粒度为4μm三氧化钨粉（或钨粉、碳化钨粉）30g、粒度为55μm的碳化硼粉20g，粒度为70μm的铝合金粉末950g混合均匀，混合时间为17小时得到1000g混合粉末；

（2）热等静压成形烧结步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为550℃、密封、热等静压处理，压制压力为100mpa，温度为550℃，保温时间为3.5小时，得到热等静压坯料；

（3）挤压成形步骤：将去除包套的热等静压坯料根据图纸要求挤压成形；

（4）机加工步骤：根据成品图纸要求加工即可，得到成品。

本实施例制备的高能射线屏蔽复合材料相对密度为99.9%，室温抗拉强度为340mpa、屈服强度为260mpa、延伸率为6%。

经辐射实验发现，该对比例的复合材料屏蔽中子、x、γ射线效果极低，不能满足实际工况要求。

对比例7

该对比例提供的高能射线屏蔽复合材料质量百分比为：三氧化钨粉末：45%，碳化硼粉末：45%，铝合金粉末：10%。

本实施例的高能射线屏蔽复合材料的制备方法如下：

（1）原料粉末配制步骤：将粒度为4μm三氧化钨粉（或钨粉、碳化钨粉）450g、粒度为55μm的碳化硼粉450g，粒度为70μm的铝合金粉末100g混合均匀，混合时间为17小时得到1000g混合粉末；

（2）热等静压成形烧结步骤：将所述混合粉料装入包套、真空抽气温度为550℃、密封、热等静压处理，压制压力为100mpa，温度为550℃，保温时间为3.5小时，得到热等静压坯料；

本实施例制备的高能射线屏蔽复合材料没有成形，依然为粉末状态。

需要说明的是，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。