本发明属于核辐射屏蔽材料领域，具体涉及一种中子屏蔽复合材料及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展，近年来核能和核技术的应用得到了迅猛发展，造福人们生活的同时，也带来极具破坏性危害的传统中子屏蔽材料。中子由于呈电中性，具有很强的穿透性，可对人体产生危害。目前，主要的中子屏蔽材料主要存在以下问题：体积密度大、机械强度不高、抗侵蚀性能较差、制备工艺复杂并且成本高。因此，制备高性能的中子屏蔽材料已成为当今亟待解决的问题。
目前技术人员为制备高性能辐射屏蔽材料等问题进行了深入的研究和技术开发：专利cn201510701250公开了一种以碳化硼、中子吸收剂、铝及铝合金制备的主要针对乏燃料贮存用中子屏蔽的复合材料，该方法在一定程度上保证了中子屏蔽效率的基础上提高了复合材料塑性，并且提高了生产效率。但其主要缺陷是:（1）工艺复杂，成品率低，价格高；（2）体积密度大；（3）耐腐蚀性差。专利cn201510128412.8公开了一种以甲基乙烯基硅胶为基体，添加阻燃隔热填料与中子吸收材料，利用双辊开炼机，平板硫化机制备了一种具有阻燃隔热性能的中子屏蔽材料，一定程度上具有阻燃与隔热性能，但其主要缺陷是：（1）工艺较为复杂，成本高。（2）材料力学性能差。（3）中子屏蔽性能不高。（4）耐腐蚀性差。
技术实现要素：
本发明提供了一种中子屏蔽复合材料及其制备方法，该方法工艺简单、成品率高，降低成本，该方法制备的泡沫陶瓷基中子屏蔽复合材料综合力学性能好、中子屏蔽性能优异、体积密度小、耐腐蚀性强。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种中子屏蔽复合材料，以泡沫陶瓷为基体，按质量包括60~90份中子慢化材料，10~40份中子吸收材料与0~10份添加剂。
以上所述泡沫陶瓷基体的材质为al2o3、zro2、sic和莫来石中的一种或几种，孔隙率为85%~97%，孔径大小为5~100ppi；所述中子慢化材料为聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯或聚甲基丙烯酸甲酯；所述中子吸收材料为碳化硼、氮化硼或氧化钆一种或一种以上的混合物，所述碳化硼、氮化硼和氧化钆的平均粒径≤25μm；所述的添加剂为硅烷偶联剂kh-550、kh-560、kh-570或钛酸酯偶联剂kr-tts。
一种中子屏蔽复合材料的制备方法，包括：
(1)制备泡沫陶瓷基体并进行预处理后放入模具中；
(2)将60~90质量份中子慢化材料加热至完全融化，保持加热温度在其熔点以上10℃~15℃，加入10~40质量份中子吸收材料与0~10质量份添加剂均匀混合，并进行超声搅拌处理20~30min，得到混合填料；
(3)将步骤(2)得到的混合填料注入步骤(1)的模具中，混合填料浸没泡沫陶瓷后将模具放入真空干燥箱中，干燥温度保持在中子慢化材料熔点以上10℃~15℃，抽真空保持15~20min后室温冷却，负压使混合填料充分填入泡沫陶瓷气孔中；
(4)将固化后的泡沫陶瓷基复合材料从模具中取出，去除多余溢出泡沫陶瓷部分的固化后的混合填料。
以上所述步骤中，步骤(1)所述的制备泡沫陶瓷基体并进行预处理的步骤为：将预处理后的聚氨酯泡沫放入配制好的浆料中浸渍，通过预先设置好的轧辊挤出多余浆料，室温干燥12h后，放入干燥箱中120℃干燥12h制得生坯，将生坯放入高温炉中烧结最终制备出泡沫陶瓷基体，并将制备好的泡沫陶瓷基体放入硅烷偶联剂中并进行超声处理30min。
本发明的有益效果：本发明提供了一种中子屏蔽复合材料及其制备方法，通过聚氨酯前驱体法制备出具有一定力学性能的网状泡沫陶瓷，将熔融均匀的中子慢化材料与中子吸收材料混合均匀后，放入泡沫陶瓷基体，高于慢化材料熔融温度负压浸渍，可使熔融的高分子慢化材料填充一部分进入聚氨酯烧失后留下的中空孔筋内部，同时填充泡沫陶瓷空隙；冷却后去除多余溢出基体部分高分子材料制备出新型中子屏蔽泡沫陶瓷复合材料；中子慢化材料的引入，不仅增加了复合材料慢化中子能力并富含中子吸收材料屏蔽中子，中子吸收材料选择碳化硼、氮化硼和氧化钆一种或几种微粉的混合，主要是这些元素的中子吸收截面远大于其他材料进而具有极强的中子吸收能力，同时高分子材料的添加弥补了泡沫陶瓷材料脆性问题，高分子材料填充在泡沫陶瓷中空孔筋与表面空隙，提升了复合材料整体的机械性能，制备出的复合材料具有优秀的力学强度，中子屏蔽性能，耐腐蚀性，而且具有工艺简单，成本低廉等优点。
本发明制备的中子屏蔽泡沫陶瓷，经检测：体积密度为0.79~1.44g/cm3；常温耐压强度为2.3~10.6mpa；采用300mciam-be中子源对屏蔽泡沫陶瓷（厚度为2cm）进行辐照热中子穿透率均小于10%。因此，本发明制备的中子屏蔽泡沫陶瓷复合材料体积密度小、强度高、具有优异的耐化学侵蚀性和中子屏蔽性能。
具体实施方式
实施例1
一种中子屏蔽复合材料及制备方法，包括：
(1)将预处理后的聚氨酯泡沫放入配制好的浆料中浸渍，通过预先设置好的轧辊挤出多余浆料，室温干燥12h后，放入干燥箱中120℃干燥12h制得生坯；将生坯放入高温炉中烧结最终制备出泡沫陶瓷基体，并将制备好的泡沫陶瓷基体放入硅烷偶联剂中并进行超声处理30min后，放入预先制备的模具中。
泡沫陶瓷参数如下：基体：al2o3-zro；孔隙率：85%；孔密度：10ppi；体积密度：0.7g/cm3；长、宽5cm，厚2cm。
(2)将60质量份聚乙烯放入搅拌机中加热至完全融化，保持加热温度在其熔点以上10℃，使熔体保持较低的粘度，加入25质量份碳化硼均匀混合，并进行超声搅拌处理20min。
(3)将步骤(2)中所制备的混合填料注入步骤(1)所述的模具中，混合填料浸没泡沫陶瓷后将模具放入真空干燥箱中，加热温度保持在聚乙烯熔点以上10℃，抽真空保持15min后室温冷却，负压使混合填料充分填入泡沫陶瓷气孔中。
(4)将固化后的泡沫陶瓷基复合材料从模具中取出，去除多余溢出泡沫陶瓷部分的固化后的混合填料。
所制备的泡沫陶瓷基中子屏蔽复合材料，经检测：常温耐压强度为：3.2~4.3mpa；密度0.87~0.93g/cm3；热中子屏蔽率：95.3%。
实施例2
一种中子屏蔽复合材料及制备方法，包括：
(1)将预处理后的聚氨酯泡沫放入配制好的浆料中浸渍，通过预先设置好的轧辊挤出多余浆料，室温干燥12h后，放入干燥箱中120℃干燥12h制得生坯；将生坯放入高温炉中烧结最终制备出泡沫陶瓷基体，并将制备好的泡沫陶瓷基体放入硅烷偶联剂中并进行超声处理30min后，放入预先制备的模具中。
泡沫陶瓷参数如下：基体：al2o3-sic；孔隙率：90%；孔密度：10ppi；体积密度：0.4g/cm3；长、宽5cm，厚2cm。
(2)将75质量份聚乙烯放入搅拌机中加热至完全融化，保持加热温度在其熔点以上15℃，使熔体保持较低的粘度，加入40质量份氧化钆与10质量份kh-570均匀混合，并进行超声搅拌处理30min。
(3)将步骤(2)得到的混合填料注入步骤(1)的模具中，混合填料浸没泡沫陶瓷后将模具放入真空干燥箱中，干燥温度保持在中子慢化材料熔点以上15℃，抽真空保持20min后室温冷却，负压使混合填料充分填入泡沫陶瓷气孔中；
(4)将固化后的泡沫陶瓷基复合材料从模具中取出，去除多余溢出泡沫陶瓷部分的固化后的混合填料。
所制备的泡沫陶瓷基中子屏蔽复合材料，经检测：常温耐压强度为：6.2~10.1mpa；密度：0.97~1.22g/cm3；热中子屏蔽率：99.9%。
实施例3
一种中子屏蔽复合材料及制备方法，包括：
(1)将预处理后的聚氨酯泡沫放入配制好的浆料中浸渍，通过预先设置好的轧辊挤出多余浆料，室温干燥12h后，放入干燥箱中120℃干燥12h制得生坯；将生坯放入高温炉中烧结最终制备出泡沫陶瓷基体，并将制备好的泡沫陶瓷基体放入硅烷偶联剂中并进行超声处理30min后，放入预先制备的模具中。
泡沫陶瓷参数如下：基体：al2o3-mgo；孔隙率：85%；孔密度：15ppi；体积密度：0.5g/cm3；长、宽5cm，厚2cm。
(2)将70质量份聚乙烯放入搅拌机中加热至完全融化，保持加热温度在其熔点以上10℃，使熔体保持较低的粘度，加入30质量份氮化硼粉末与5质量份钛酸酯偶联剂kr-tts均匀混合，并进行超声搅拌处理30min。
(3)将步骤(2)得到的混合填料注入步骤(1)的模具中，混合填料浸没泡沫陶瓷后将模具放入真空干燥箱中，干燥温度保持在中子慢化材料熔点以上15℃，抽真空保持20min后室温冷却，负压使混合填料充分填入泡沫陶瓷气孔中；
(4)将固化后的泡沫陶瓷基复合材料从模具中取出，去除多余溢出泡沫陶瓷部分的固化后的混合填料。
所制备的泡沫陶瓷基中子屏蔽复合材料，经检测：常温耐压强度为：2.6~4.2mpa；密度：1.1~1.42g/cm3；热中子屏蔽率：90.5%。
实施例4
一种中子屏蔽复合材料及制备方法，包括：
(1)将预处理后的聚氨酯泡沫放入配制好的浆料中浸渍，通过预先设置好的轧辊挤出多余浆料，室温干燥12h后，放入干燥箱中120℃干燥12h制得生坯；将生坯放入高温炉中烧结最终制备出泡沫陶瓷基体，并将制备好的泡沫陶瓷基体放入硅烷偶联剂中并进行超声处理30min后，放入预先制备的模具中。
泡沫陶瓷参数如下：基体：al2o3-mgo；孔隙率：95%；孔密度：15ppi；体积密度：0.5g/cm3；长、宽5cm，厚2cm。
(2)将75质量份聚丙烯放入搅拌机中加热至完全融化，保持加热温度在其熔点以上15℃，使熔体保持较低的粘度。加入35质量份碳化硼粉末与8质量份kh-550均匀混合，并进行超声搅拌处理25min。
(3)将步骤(2)得到的混合填料注入步骤(1)的模具中，混合填料浸没泡沫陶瓷后将模具放入真空干燥箱中，干燥温度保持在中子慢化材料熔点以上10℃，抽真空保持20min后室温冷却，负压使混合填料充分填入泡沫陶瓷气孔中；
(4)将固化后的泡沫陶瓷基复合材料从模具中取出，去除多余溢出泡沫陶瓷部分的固化后的混合填料。
所制备的泡沫陶瓷基中子屏蔽复合材料，经检测：常温耐压强度为2.31~3.95mpa；密度：1.2~1.33g/cm3；热中子屏蔽率：96.5%。
实施例5
一种泡沫陶瓷基中子屏蔽复合材料及制备方法，包括：
(1)将预处理后的聚氨酯泡沫放入配制好的浆料中浸渍，通过预先设置好的轧辊挤出多余浆料，室温干燥12h后，放入干燥箱中120℃干燥12h制得生坯；将生坯放入高温炉中烧结最终制备出泡沫陶瓷基体，并将制备好的泡沫陶瓷基体放入硅烷偶联剂中并进行超声处理30min后，放入预先制备的模具中。
泡沫陶瓷参数如下：基体：al2o3-zro；孔隙率：95%；孔密度：15ppi；体积密度：0.7g/cm3；长、宽5cm，厚2cm。
(2)将70质量份聚丙烯放入搅拌机中加热至完全融化，保持加热温度在其熔点以上10℃，使熔体保持较低的粘度。加入30质量份氧化钆粉末与6份kh-570均匀混合，并进行超声搅拌处理25min。
(3)将步骤(2)得到的混合填料注入步骤(1)的模具中，混合填料浸没泡沫陶瓷后将模具放入真空干燥箱中，干燥温度保持在中子慢化材料熔点以上15℃，抽真空保持20min后室温冷却，负压使混合填料充分填入泡沫陶瓷气孔中；
(4)将固化后的泡沫陶瓷基复合材料从模具中取出，去除多余溢出泡沫陶瓷部分的固化后的混合填料。
所制备的泡沫陶瓷基中子屏蔽复合材料，经检测：常温耐压强度为：3.5~4.6mpa；密度：1.07~1.23g/cm3；热中子屏蔽率：99.9%。
实施例6
一种中子屏蔽复合材料及制备方法，包括：
(1)将预处理后的聚氨酯泡沫放入配制好的浆料中浸渍，通过预先设置好的轧辊挤出多余浆料，室温干燥12h后，放入干燥箱中120℃干燥12h制得生坯；将生坯放入高温炉中烧结最终制备出泡沫陶瓷基体，并将制备好的泡沫陶瓷基体放入硅烷偶联剂中并进行超声处理30min后，放入预先制备的模具中。
泡沫陶瓷参数如下：基体：al2o3-sic；孔隙率：95%；孔密度：15ppi；体积密度：0.4g/cm3；长、宽5cm，厚2cm。
(2)将85质量份聚丙烯放入搅拌机中加热至完全融化，保持加热温度在其熔点以上15℃，使熔体保持较低的粘度，加入20质量份碳化硼粉末与5质量份kh-560均匀混合，并进行超声搅拌处理30min。
(3)将步骤(2)得到的混合填料注入步骤(1)的模具中，混合填料浸没泡沫陶瓷后将模具放入真空干燥箱中，干燥温度保持在中子慢化材料熔点以上15℃，抽真空保持15min后室温冷却，负压使混合填料充分填入泡沫陶瓷气孔中；
(4)将固化后的泡沫陶瓷基复合材料从模具中取出，去除多余溢出泡沫陶瓷部分的固化后的混合填料。
所制备的泡沫陶瓷基中子屏蔽复合材料，经检测：常温耐压强度为：7.3~10.6mpa；密度：0.87~1.11g/cm3；热中子屏蔽率：93.9%。
实施例7
一种中子屏蔽复合材料及制备方法，包括：
(1)将预处理后的聚氨酯泡沫放入配制好的浆料中浸渍，通过预先设置好的轧辊挤出多余浆料，室温干燥12h后，放入干燥箱中120℃干燥12h制得生坯；将生坯放入高温炉中烧结最终制备出泡沫陶瓷基体，并将制备好的泡沫陶瓷基体放入硅烷偶联剂中并进行超声处理30min后，放入预先制备的模具中。
泡沫陶瓷参数如下：基体：al2o3-mgo；孔隙率：90%；孔密度：5ppi；体积密度：0.5g/cm3；长、宽5cm，厚2cm。
(2)将80质量份聚苯乙烯放入搅拌机中加热至完全融化，保持加热温度在其熔点以上15℃，使熔体保持较低的粘度，加入15质量份碳化硼粉末与5质量份kh-560均匀混合，并进行超声搅拌处理25min。
(3)将步骤(2)得到的混合填料注入步骤(1)的模具中，混合填料浸没泡沫陶瓷后将模具放入真空干燥箱中，干燥温度保持在中子慢化材料熔点以上15℃，抽真空保持15min后室温冷却，负压使混合填料充分填入泡沫陶瓷气孔中；
(4)将固化后的泡沫陶瓷基复合材料从模具中取出，去除多余溢出泡沫陶瓷部分的固化后的混合填料。
所制备的泡沫陶瓷基中子屏蔽复合材料，经检测：常温耐压强度为：2.3~3.6mpa；密度：0.79~1.27g/cm3；热中子屏蔽率：92.3%。
实施例8
一种中子屏蔽复合材料及制备方法，包括：
(1)将预处理后的聚氨酯泡沫放入配制好的浆料中浸渍，通过预先设置好的轧辊挤出多余浆料，室温干燥12h后，放入干燥箱中120℃干燥12h制得生坯；将生坯放入高温炉中烧结最终制备出泡沫陶瓷基体，并将制备好的泡沫陶瓷基体放入硅烷偶联剂中并进行超声处理30min后，放入预先制备的模具中。
泡沫陶瓷参数如下：基体：al2o3-mgo；孔隙率：90%；孔密度：5ppi；体积密度：0.5g/cm3；长、宽5cm，厚2cm。
(2)将75质量份聚苯乙烯放入搅拌机中加热至完全融化，保持加热温度在其熔点以上15℃，使熔体保持较低的粘度。加入35质量份氧化钆粉末与6质量份kh-560均匀混合，并进行超声搅拌处理30min。
(3)将步骤(2)得到的混合填料注入步骤(1)的模具中，混合填料浸没泡沫陶瓷后将模具放入真空干燥箱中，干燥温度保持在中子慢化材料熔点以上15℃，抽真空保持15min后室温冷却，负压使混合填料充分填入泡沫陶瓷气孔中；
(4)将固化后的泡沫陶瓷基复合材料从模具中取出，去除多余溢出泡沫陶瓷部分的固化后的混合填料。
所制备的泡沫陶瓷基中子屏蔽复合材料，经检测：常温耐压强度为：3.5~5.6mpa；密度：1.21~1.44g/cm3；中子屏蔽效率为99.9%。
以上所述仅是本发明的优选实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。