包含辐射吸收材料的辐射屏蔽材料与其形成方法

文档序号:8386019阅读:1827来源:国知局
包含辐射吸收材料的辐射屏蔽材料与其形成方法
【专利说明】
[0001] 本申请要求2013年2月11日提交的美国临时申请No. 61763178和2013年12月 31日提交的美国专利申请No. 14145703的权益,这些美国申请的全部内容通过引用并入本 文。
技术领域
[0002] 本发明涉及辐射屏蔽复合材料,更特别涉及包含辐射吸收材料的辐射屏蔽复合材 料。
【背景技术】
[0003] 辐射是指其中全电磁光谱的电磁波以及能量粒子(包括原子与次原子)穿过介质 的过程。辐射大致分为离子化辐射与非离子化辐射。中子辐射为一种离子辐射,由自由中 子组成。与其他离子化辐射如高破坏力的X-射线或伽玛辐射相比,中子辐射对人体造成的 生物伤害更强。因此需要提供中子屏蔽材料以屏蔽阻挡中子辐射,从而在中子辐射存在的 场所保护雇员与一般民众。此外,飞行器飞航时可能接触含有宇宙中子的宇宙辐射,而中子 辐射可能干扰或损害飞行器上的电子装置,造成惨重事故的可能性。因此,为飞航中的电子 仪器提供合适的中子屏蔽为重要课题。
[0004] 常规屏蔽中子的方式包括使用氢原子将快中子减速至慢热中子,再以具有较大中 子吸收截面积的中子吸收元素吸收慢热中子。为有效屏蔽中子,中子屏蔽材料需包含至少 一种具有大量氢的材料,以及至少一种具有大中子吸收截面的中子吸收元素。当中子屏蔽 材料中的氢越多,则中子减速的效果越强。由于聚乙烯(PE)含有大量氢,通常可用于中子 屏蔽部件。中子吸收元素的实例包含硼(B)、锂(Li)、镉(Cd)、铁(Fe)、铅(Pd)、和镓(Ga)。 由于硼(B)易于取得,因此为常见的中子吸收元素。
[0005] 形成中子屏蔽材料的常规方法包括将含硼化合物如氧化硼(B2O3)或碳化硼(B 4C) 混掺至高氢密度的基材中,以形成具有高中子屏蔽能力的复合材料。然而,此中子屏蔽材料 中大部份的硼原子将聚集成微米尺寸的团簇物。无单独的硼原子分散于硼原子的团簇物之 间,使中子屏蔽材料难以捕获入射中子。因此,入射中子可穿过中子屏蔽材料而不满足屏蔽 功效。改善此中子屏蔽部件的性能需要将额外大量的硼化合物添加至基材中,或增加复合 材料的厚度。然而大量的硼化物会增加成本,而较厚的屏蔽部件可能不适用于某些应用如 防护衣或防护面具。
[0006] 近来有报导指出包含纳米尺寸的原子级辐射吸收材料的辐射屏蔽部件可改善辐 射吸收效能。

【发明内容】

[0007] 本发明的一实施方式提供一种辐射吸收材料。所述辐射吸收材料包括:载体;以 及异质元素(heterogeneous element),掺杂于载体中,且异质元素于载体中的含量大于15 原子%。
[0008] 本发明的另一实施方式提供一种辐射屏蔽复合材料。所述辐射屏蔽复合材料包 括:基材;以及分散于基材中的辐射吸收材料,。
[0009] 本发明的又一实施方式提供一种辐射吸收材料的制备方法。所述方法包括:将载 体与用于异质元素的异质元素前驱物(precursor)加入溶剂中;混合溶剂中的载体与异质 元素前驱物以制备溶液;以及于载体与异质元素前驱物之间诱发热反应,以形成辐射吸收 材料,其中载体掺杂异质元素。所述热反应进行于反应气体中。
[0010] 本发明的再一实施方式提供一种辐射屏蔽复合材料的制备方法。所述方法包括: 将载体与用于异质元素的异质元素前驱物加入溶剂中;混合溶剂中的载体与异质元素前驱 物以制备溶液;加热溶液以移除溶剂,并干燥载体与异质元素前驱物以制备混合粉末;于 载体与异质元素前驱物之间诱发热反应,以形成辐射吸收材料,其中载体掺杂异质元素,热 反应进行于反应气体中,且反应气体包含惰性气体与蚀刻气体;混合辐射吸收材料与基材, 以制备混合物;以及处理混合物,以形成辐射屏蔽复合材料。
[0011] 应理解的是,前述一般性描述和随后的详细描述均仅仅是示例性和说明性的,而 非对本申请请求保护的发明的限制。
【附图说明】
[0012] 下面的附图加入本说明书并构成本说明书的一部分,连同随后的详细一起来说明 本发明的实施方式,用于解释本发明的原理。
[0013] 图1示出了一示例性实施方式的辐射屏蔽复合材料的示意图。
[0014] 图2示出了一种嵌入掺杂的示意图。
[0015] 图3示出了另一种嵌入掺杂的示意图。
[0016] 图4示出了取代掺杂的示意图。
[0017] 图5示出了一示例性实施方式的制备辐射吸收材料的方法的流程图。
[0018] 图6A示出了一比较例的未经任何预处理的制备的纳米碳管与硼前驱物制备的混 合物的示意图。
[0019] 图6B示出了一示例性实施方式的经预处理工序的制备的纳米碳管与硼前驱物制 备的混合物的示意图。
[0020] 图7示出了一示例性实施方式的反应器的示意图。
[0021] 图8A与8B示出了在经预处理与未经预处理的样品上测量的硼原子浓度对应于反 应温度的曲线图。
[0022] 图9A与9B示出了在使用不同的反应气体制备的样品上测量的硼原子浓度对应于 反应温度的曲线图。
[0023] 图10示出了在使用不同反应气体制备的样品上测量的XPS光谱。
[0024] 图11示出了一示例性实施方式中,在制备的样品上测量的EELS光谱。
[0025] 图12A与12B示出了在不同的辐射屏蔽复合材料上测量的辐射衰减率(1/1。)对 应于厚度的曲线图。
【具体实施方式】
[0026] 下述将搭配附图详述本发明的实施方式与实例,并尽可能以相同附图标记标示附 图中相同或类似的部件。
[0027] 下述实施方式提供辐射屏蔽复合材料。图1为一示例性实施方式的辐射屏蔽复合 材料100的示意图。辐射屏蔽复合材料100包含辐射吸收材料110,分散于基材120中。辐 射吸收材料110还包含载体130,以及掺杂于载体130中的异质元素140。
[0028] 基材120包含高分子、陶瓷材料、金属、合金、纤维、纤维素、二氧化娃(SiO2)、和 硅。高分子基材包含以下物质中的至少一种:聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯(PE)、高密度聚乙烯 (HDPE)、低密度聚乙烯(LDPE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)、 环氧树脂、和橡胶。金属基材包含以下物质中的至少一种:不锈钢、铝(A1)、钛(Ti)、锆 (Zr)、钪(Sc)、钇(Y)、钴(Co)、铬(Cr)、镍(Ni)、钽(Ta)、钼(Mo)、和钨(W)。
[0029] 辐射吸收材料110通过均化方法分散于基材120中,所述均化方法包括以下方法 中的至少一种:混掺、混合、复合(compounding)、超声波辅助均化、球磨(ball milling)、 碾磨(milling)、和气流碾磨(jet milling)。
[0030] 辐射吸收材料
[0031] 如前所述,辐射吸收材料110包含载体130,与掺杂于载体130中的异质元素140。 载体130可包含零维(OD)材料、一维(ID)材料、二维(2D)材料和三维(3D)材料中的至少 一种。零维纳米材料的实例
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