本发明涉及一种高效中子流屏蔽复合材料的制备方法，属于防辐射功能复合材料技术领域。
背景技术：
“十三五”时期是我国核能与核技术发展利用的关键时期,“十三五”核安全规划总体思路建议中指出“加强重点领域防治，以保障环境安全和公众健康为核心，降低核辐射安全风险”。中子是一种不带电粒子，在核反应堆中通常用于核能的“引发剂”。中子是唯一一种能使其它物质具有放射性之电离辐射的物质，中子辐射作为核辐射的主要射线之一，人体受中子辐射后，所致眼晶体混浊的相对生物效应为相同剂量x射线、伽马射线的2-14倍。中子流可以很容易地穿透大多数材料，并且与其作用材料的原子核相互作用。长期暴露于中子辐射会诱发健康风险如心脏问题、细胞癌变、白内障等。此外，在航空航天，医学治疗和核电站等行业中常常遭遇中子辐射。因此，核电厂工作人员、辐射治疗医生、宇航员、飞机机组人员最容易受到中子辐射的威胁。因此，屏蔽中子流辐射，保护人类健康和设备安全是一个艰巨的挑战。如何有效防护中子流辐射，一直是防中子辐射复合材料领域研究的重点和难点，解决这一问题的关键在于：如何有效构筑中子流屏蔽材料。此外，在实际应用过程中还对中子流屏蔽复合材料有轻质、屏蔽效率高的要求。
技术实现要素：
针对上述中子流屏蔽复合材料中存在的问题，本发明提供了一种高效中子流屏蔽复合材料的制备方法，该方法能在不改变材料构成成分的基础上，提高复合材料对中子流的屏蔽效率，并能同时提高复合材料的力学性能和导热性能。
本发明的技术原理：首先，氢元素含量较高的化合物对中子有很好的散射作用，其次含硼元素的化合物对中子有很好的吸收作用。因此，氢含量较高的高密度聚乙烯与氮化硼被选为本案发明的主要原料。通过本案发明中提及的微层共挤出设备，制备出了氮化硼与高密度聚乙烯交替层状分布的中子流屏蔽复合材料，且层数达1204层。中子流在这种交替层状分布的中子流屏蔽复合材料中，经层界面间多次散射、吸收，由此实现屏蔽效率的大幅度提高。与此同时，片状的氮化硼粒子在微层共挤出的主要单元——层倍增器中受到强烈的双向拉伸剪切流场作用，致使氮化硼粒子沿流动方向平躺取向。这种平躺取向使中子流的渗透通道减少，增加了中子流与片状氮化硼粒子的作用几率，这也是屏蔽效率提高的又一原理。此外，层状复合材料中氮化硼粒子平躺形成的导热通道，为中子流能量以热量形式耗散提供了散热路径，减少了热量局部集中对聚合物材料基体的损害。
本发明基于上述技术原理，实现其发明目的所采用的技术方案是：
本发明制备一种高效中子流屏蔽复合材料的方法，是以高密度聚乙烯为基体，其特征在于该方法包含以下步骤：
第一步，按以下组分及重量份配比备料：
（1）高密度聚乙烯：100
（2）氮化硼：35～55（粒径8～10微米）
（3）聚乙烯蜡润滑剂：0～5
本步骤中添加就聚乙烯蜡的作用是调节熔体粘度，另外当高含量的氮化硼填料被使用时，聚乙烯蜡的加入可以得到意想不到的效果是增加了氮化硼粒子沿流动方向的取向程度；
第二步，对氮化硼进行干燥处理，本步骤的目的是出去水分，以免对复合材料的屏蔽性能、力学性能等产生影响。
第三步，将上述高密度聚乙烯、聚乙烯蜡和经干燥处理的氮化硼投入高混机中预混合，经过双螺杆挤出机熔融共混、挤出、造粒、干燥，即可得到颗粒型高密度聚乙烯/氮化硼复合材料，本步骤的目的是现将高密度聚乙烯与氮化硼进行预混合，使氮化硼在聚乙烯基体中分散更均匀。
第四步：将高密度聚乙烯与上述预混合颗粒物分别由单螺杆挤出机a、b熔融挤出，再经过与两台挤出机相连的汇流器（c）、能进行n次层状叠合形成2（n+1）层的层倍增器（d）、冷却辊构成的微层共挤装置（见图1），制备出具有高密度聚乙烯层与高密度聚乙烯/氮化硼复合材料层交替排列的层状中子流屏蔽复合材料，本步骤的目的一方面是使氮化硼呈现层状交替分布结构，构筑出这种多界面的层状分布结构复合材料有利于实现发明原理中的中子流在层状复合材料中多次散射、衰减，由此实现屏蔽效率的提高。与此同时，片状的氮化硼粒子在微层共挤出的主要单元——层倍增器中受到强烈的双向拉伸剪切流场作用，致使氮化硼粒子沿流动方向平躺取向。这种平躺取向使中子流的渗透通道减少，增加了中子流与氮化硼的作用几率。由此，更进一步增加中子流屏蔽效率。此外，层状复合材料中氮化硼粒子平躺形成的导热通道，为中子流能量以热量形式耗散提供了散热路径，减少了热量局部集中对聚合物材料基体的损害。
上述方法的第一步中所选用的高密度聚乙烯的熔融指数1-2g/10min(2.16kg,190ºc)。
上述方法的第二步中温度80～100℃，时间8-12h。
上述方法的第三步中，双螺杆挤出机的加料口、输送段、熔融段、均化段、口模的温度分别为100～160℃、180～250℃、190～250℃、190～250℃、190～250℃。
上述方法的第四步中，单螺杆挤出机的加料口、输送段、熔融段、均化段、口模、汇流器、层倍增器的温度分别为100～160℃、180～250℃、190～250℃、190～250℃、190～250℃、200～250℃、200～250℃。
上述方法的第四步中，层倍增器的个数范围为0～9个，所制得的交替层状材料的总层数为2～1024层。并且高密度聚乙烯层和高密度聚乙烯/氮化硼层的厚度可以通过台挤出机的螺杆转速来进行调节。
本发明专利具有以下优点：
（1）本发明复合材料由高密度聚乙烯层、高密度聚乙烯/氮化硼层交替叠合而成，由此实现氮化硼粒子的周期性分布，并且在熔体层叠过程中层倍增器的强剪切作用使片状氮化硼粒子沿流动方向取向，进而减少中子流渗透通道。具体来说，经检测：随着层数的增加，屏蔽材料对中子流的透过率减少，2层的复合材料的中子透过率i/i0(2层)=0.63,1024层的复合材料的中子透过率i/i0(1024层)=0.44;对于1024层中子流屏蔽复合材料，质量衰减系数为3.03g/cm2，拉伸强度为20.4mpa，表面导热率为4.46w/mk。对于非层状复合材料，中子透过率i/i0=0.64,质量衰减系数为2.94g/cm2，拉伸强度18.6mpa，表面导热率4.03w/mk（由于氮化硼呈现层状分布，通过测试表层的导热率来评价每层复合材料的导热率）。因此，本案发明的制备方法得到的层状复合材料与传统方法制备的复合材料相比，具有明显的优越性。
（2）本发明的复合材料基于层倍增器中强剪切流场中实现的分割、叠合，且是同一种聚合物基体（都为高密度聚乙烯），层界面间粘接通过高密度聚乙烯的分子链结晶被增强，所以层界面处的粘接状况良好、很牢固，不会损坏材料的力学性能等。另外，由于层倍增器的强剪切作用，使高密度聚乙烯分子链沿流动方向取向，进而使拉伸强度有所提高。
（3）本案发明采用微层共挤出一次成型工艺，制备方法简单，工艺操作方便，层数的增加并不会使整个复合材料的厚度增加，即是不同层数的复合材料厚度始终保持在2毫米左右。由此可见，本案发明的高效中子流屏蔽复合材料中，聚合物、填料无需进行特殊处理，且制备方法工艺简单，操作控制方便，生产效率高，生产成本低，具有广阔的工业化和市场前景。
附图说明
下面结合附图和实施例进一步说明本发明
图1为本案发明所用的设备图，a、b为单螺杆挤出机，c为汇流器，d为分割叠合单元，可以通过调节分割叠合单元的数目来实现层数倍增。
实施例1
（2）将混合物分别利用双螺杆挤出机混合、造粒、冷却，形成直径约为1mm，长度约为3mm的圆柱体预混合颗粒物，其中双螺杆加料口、输送段、熔融段、均化段、口模的温度分别为155℃、195℃、195℃、195℃、190℃，将预混颗粒物置于80℃烘箱中干燥12h备用。
（3）将高密度聚乙烯与上述预混合颗粒物分别投入在中国专利cn101439576a中公开的由挤出机a、b、汇流器c、层倍增器d构成的微层共挤装置的挤出机a和挤出机b中(见图1)，调节两台挤出机的速度一致，且都为250转每分钟，得到的复合材料高密度聚乙烯/氮化硼层与高密度聚乙烯层的厚度相同，当挤出机内的物料熔融塑化后，使两股熔体在汇流器c中叠合，经0个层倍增器后，再经过三辊压延机的压制和牵引机的牵引，即可得到层数为2层的中子流屏蔽复合材料，调节倍增器的个数为2、3、4、5、6、7、8、9个，可以分别得到层数为4、8、16、32、64、128、256、512、1024层的中子流屏蔽复合材料，不同层数的复合材料的尺寸均为宽40mm、厚2mm，也就是说在整个层数增加的过程中，始终保持宽度和层厚一致。其中，挤出机a、b加料口、输送段、熔融段、均化段、口模、汇流器、层倍增器的温度分别为100～160℃、180～250℃、190～250℃、190～250℃、190～250℃、200～250℃、200～250℃。
实验中评价中子屏蔽特性是基于中子的穿透特性，层状复合材料厚度和非层状复合材料的厚度都约为2mm，中子源为镅-铍源（241am-be），中子通量为4.4*106n/m2/s。中子穿透计数采用he-3正比计数器测定（uls3020），而中子衰减效率（i/i0）是从入射中子剂量测定（i0）与穿透剂量（i）的比值所得。
经检测，随着层数的增加，屏蔽材料对中子流透过率减少，2层的复合材料的中子透过率i/i0(2层)=0.71,1024层的复合材料的中子透过率i/i0(1024层)=0.54;对于1024层中子流屏蔽复合材料，质量衰减系数为2.73g/cm2，拉伸强度为26.4mpa，表面导热率为3.27w/mk。
对比例1
（1）选用高密度聚乙烯（5000s，燕山石化有限公司生产），熔体指数为1g/10min（190℃，2.16kg）；氮化硼（rh-n，丹东科技有限公司），主含量99%，三氧化二硼≤0.5%，水份≤0.5%；聚乙烯蜡，熔点103℃，万华化工有限公司。先将氮化硼在80℃的烘箱干燥8小时，然后将各原料称重备料，备料重量比例为：高密度聚乙烯：氮化硼：聚乙烯蜡=200：17.5:0（经换算保持与实施例1中聚合物基体与填料含量相同），按此比例配料投入高搅机中混合。
（2）将混合物分别利用双螺杆挤出机混合、造粒、冷却，形成直径约为1mm，长度约为3mm的圆柱体预混合颗粒物，其中双螺杆加料口、输送段、熔融段、均化段、口模的温度分别为155℃、195℃、195℃、195℃、190℃，将预混颗粒物置于80℃烘箱中干燥12h备用。
（3）将上述得到的干燥好的预混颗粒物投入单独的一台挤出机中熔融挤出，经过狭缝口模后、冷却、定型，得到的片状复合材料的尺寸为宽40mm、厚2mm(与实施例1中的厚度与宽度一致)。其中，挤出机、输送段、熔融段、均化段、狭缝口模的温度分别为100～160℃、180～250℃、190～250℃、190～250℃、190～250℃。
经环境扫描电镜分析，通过传统狭缝口模挤出制备的片状复合材料，氮化硼也有取向，但是其取向程度不及实施例1中的氮化硼粒子，尤其是高层数复合材料中的氮化硼粒子，主要是聚合物熔体流经实施例1中层倍增器时受到强烈的拉伸强切流场作用，致使氮化硼的取向度更高。
经检测，中子透过率i/i0=0.73,质量衰减系数为2.21g/cm2，拉伸强度23.4mpa，表面导热率2.13w/mk。由此可见，通过本案发明制备的层状复合材料在未改变材料组成和填料含量的情况下，中子屏蔽率，质量衰减系数，拉伸强度，表面导热率，都得到明显提升，相对于传统方法，具有明显的先进性。
实施例2
（1）选用高密度聚乙烯（5000s，燕山石化有限公司生产），熔体指数为1g/10min（190℃，2.16kg）；氮化硼（rh-n，丹东科技有限公司），主含量99%，三氧化二硼≤0.5%，水份≤0.5%；聚乙烯蜡，熔点103℃，万华化工有限公司。先将氮化硼在80℃的烘箱干燥8小时，然后将各原料称重备料，备料重量比例为：高密度聚乙烯：氮化硼：聚乙烯蜡=100：45:3，按此比例配料投入高搅机中混合。
（2）将混合物分别利用双螺杆挤出机混合、造粒、冷却，形成直径约为1mm，长度约为3mm的圆柱体预混合颗粒物，其中双螺杆加料口、输送段、熔融段、均化段、口模的温度分别为155℃、195℃、195℃、195℃、190℃。将预混颗粒物置于80℃烘箱中干燥12h备用。
(3)将高密度聚乙烯与上述预混合颗粒物分别投入在中国专利cn101439576a中公开的由挤出机a、b、汇流器c、层倍增器d构成的微层共挤装置的挤出机a和挤出机b(见图1)中，调节两台挤出机的速度一致，且都为250转每分钟，得到的复合材料高密度聚乙烯/氮化硼层与高密度聚乙烯层的厚度相同，当挤出机内的物料熔融塑化后，使两股熔体在汇流器c中叠合，经0个层倍增器后，再经过三辊压延机的压制和牵引机的牵引，即可得到层数为2层的中子流屏蔽复合材料，调节倍增器的个数为2、3、4、5、6、7、8、9个，可以分别得到层数为4、8、16、32、64、128、256、512、1024层的中子流屏蔽复合材料，不同层数的复合材料的尺寸均为宽40mm、厚2mm，也就是说在整个层数增加的过程中，始终保持宽度和层厚一致。其中，挤出机a、b加料口、输送段、熔融段、均化段、口模、汇流器、层倍增器的温度分别为100～160℃、180～250℃、190～250℃、190～250℃、190～250℃、200～250℃、200～250℃。
经检测，随着层数的增加，屏蔽材料对中子流的透过率减少，中子透过率i/i0(2层)=0.68,i/i0(1024层)=0.49;对于1024层中子流屏蔽复合材料，质量衰减系数为2.88g/cm2，拉伸强度为24.8mpa，表面导热率为3.84w/mk。
对比例2-（1）
（1）选用高密度聚乙烯（5000s，燕山石化有限公司生产），熔体指数为1g/10min（190℃，2.16kg）；氮化硼（rh-n，丹东科技有限公司），主含量99%，三氧化二硼≤0.5%，水份≤0.5%；聚乙烯蜡，熔点103℃，万华化工有限公司。先将氮化硼在80℃的烘箱干燥8小时，然后将各原料称重备料，备料重量比例为：高密度聚乙烯：氮化硼：聚乙烯蜡=100：22.5:1.5，按此比例配料投入高搅机中混合。
（2）将混合物分别利用双螺杆挤出机混合、造粒、冷却，形成直径约为1mm，长度约为3mm的圆柱体预混合颗粒物，其中双螺杆加料口、输送段、熔融段、均化段、口模的温度分别为155℃、195℃、195℃、195℃、190℃。将预混颗粒物置于80℃烘箱中干燥12h备用。
（3）将上述预混合颗粒物投入单独的一台挤出机中熔融挤出，经过狭缝口模后、冷却、定型，得到的片状复合材料的尺寸为宽40mm、厚2mm(与实施例2中的厚度与宽度一致)。其中，挤出机、输送段、熔融段、均化段、狭缝口模的温度分别为100～160℃、180～250℃、190～250℃、190～250℃、190～250℃。
经环境扫描电镜分析，通过传统狭缝口模挤出制备的片状复合材料，氮化硼也有取向，但是其取向程度不及实施例2中的氮化硼粒子，尤其是取向程度不及高层数的层状复合材料中氮化硼粒子，主要是聚合物熔体流经实施例2中层倍增器时受到强烈的拉伸强切作用，致使氮化硼的取向度更高。
经检测，中子透过率i/i0=0.71,质量衰减系数为2.74g/cm2，拉伸强度23.1mpa，表面导热率2.78w/mk。
对比例2-（2）
（1）选用高密度聚乙烯（5000s，燕山石化有限公司生产），熔体指数为1g/10min（190℃，2.16kg）；氮化硼（rh-n，丹东科技有限公司），主含量99%，三氧化二硼≤0.5%，水份≤0.5%；聚乙烯蜡，熔点103℃，万华化工有限公司。先将氮化硼在80℃的烘箱干燥8小时，然后将各原料称重备料，备料重量比例为：高密度聚乙烯：高密度聚乙烯：氮化硼=100：22.5，按此比例配料投入高搅机中混合。
（2）将混合物分别利用双螺杆挤出机混合、造粒、冷却，形成直径约为1mm，长度约为3mm的圆柱体预混合颗粒物，其中双螺杆加料口、输送段、熔融段、均化段、口模的温度分别为155℃、195℃、195℃、195℃、190℃，将预混颗粒物置于80℃烘箱中干燥12h备用。
（3）将上述得到的干燥好的预混颗粒物投入单独的一台挤出机中熔融挤出，经过狭缝口模挤出、冷却、定型，得到的片状复合材料的尺寸为宽40mm、厚2mm(与实施例2中的厚度与宽度一致)。其中，挤出机、输送段、熔融段、均化段、狭缝口模的温度分别为100～160℃、180～250℃、190～250℃、190～250℃、190～250℃。
经环境扫描电镜分析，通过传统狭缝口模挤出制备的片状复合材料，氮化硼也有取向，但是其取向程度不及实施例2-（1）中的氮化硼粒子。
经检测，中子透过率i/i0=0.72,质量衰减系数为2.71g/cm2，拉伸强度23.6mpa，表面导热率2.37w/mk，由此可见聚乙烯蜡的加入可以使氮化硼粒子的取向程度增加，因此导热系数也得到提高。
由此可见，通过本案发明制备的层状复合材料在未改变材料组成和填料含量的情况下，中子屏蔽率，线性衰减系数，质量衰减系数，拉伸强度，表面导热率，都得到明显提升，相对于传统方法，具有明显的先进性。
实施例3
（1）选用高密度聚乙烯（5000s，燕山石化有限公司生产），熔体指数为1g/10min（190℃，2.16kg）；氮化硼（rh-n，丹东科技有限公司），主含量99%，三氧化二硼≤0.5%，水份≤0.5%；聚乙烯蜡，熔点103℃，万华化工有限公司。先将氮化硼在80℃的烘箱干燥8小时，然后将各原料称重备料，备料重量比例为：高密度聚乙烯：氮化硼：聚乙烯蜡=100：55:5，按此比例配料投入高搅机中混合。
（2）将混合物分别利用双螺杆挤出机混合、造粒、冷却，形成直径约为1mm，长度约为3mm的圆柱体预混合颗粒物，其中双螺杆加料口、输送段、熔融段、均化段、口模的温度分别为155℃、195℃、195℃、195℃、190℃。将预混颗粒物置于80℃烘箱中干燥12h备用。
（3）将高密度聚乙烯与上述预混合颗粒物分别投入在中国专利cn101439576a中公开的由挤出机a、b、汇流器c、层倍增器d构成的微层共挤装置的挤出机a和挤出机b(见图1)中，调节两台挤出机的速度一致，且都为250转每分钟，得到的复合材料高密度聚乙烯/氮化硼层与高密度聚乙烯层的厚度相同，当挤出机内的物料熔融塑化后，使两股熔体在汇流器c中叠合，经0个层倍增器后，再经过三辊压延机的压制和牵引机的牵引，即可得到层数为2层的中子流屏蔽复合材料，调节倍增器的个数为2、3、4、5、6、7、8、9个，可以分别得到层数为4、8、16、32、64、128、256、512、1024层的中子流屏蔽复合材料，不同层数的复合材料的尺寸均为宽40mm、厚2mm，也就是说在整个层数增加的过程中，始终保持宽度和层厚一致。其中，挤出机a、b加料口、输送段、熔融段、均化段、口模、汇流器、层倍增器的温度分别为100～160℃、180～250℃、190～250℃、190～250℃、190～250℃、200～250℃、200～250℃。
经检测，随着层数的增加，屏蔽材料对中子流的透过率减少，中子透过率i/i0(2层)=0.63,i/i0(1024层)=0.44;对于1024层中子流屏蔽复合材料，质量衰减系数为3.03g/cm2，拉伸强度为20.4mpa，表面导热率为4.46w/mk。
对比例3-（1）
（1）选用高密度聚乙烯（5000s，燕山石化有限公司生产），熔体指数为1g/10min（190℃，2.16kg）；氮化硼（rh-n，丹东科技有限公司），主含量99%，三氧化二硼≤0.5%，水份≤0.5%；聚乙烯蜡，熔点103℃，万华化工有限公司。先将氮化硼在80℃的烘箱干燥8小时，然后将各原料称重备料，备料重量比例为：高密度聚乙烯：氮化硼：聚乙烯蜡=100：27.5:2.5，按此比例配料投入高搅机中混合。
（2）将混合物分别利用双螺杆挤出机混合、造粒、冷却，形成直径约为1mm，长度约为3mm的圆柱体预混合颗粒物，其中双螺杆加料口、输送段、熔融段、均化段、口模的温度分别为155℃、195℃、195℃、195℃、190℃，将预混颗粒物置于80℃烘箱中干燥12h备用。
（3）将上述得到的干燥好的预混颗粒物投入单独的一台挤出机中熔融挤出，经过狭缝口模挤出、冷却、定型，得到的片状复合材料的尺寸为宽40mm、厚2mm(与实施例3中的厚度与宽度一致)。其中，挤出机、输送段、熔融段、均化段、狭缝口模的温度分别为100～160℃、180～250℃、190～250℃、190～250℃、190～250℃。
经环境扫描电镜分析，通过传统狭缝口模挤出制备的片状复合材料，氮化硼也有取向，但是其取向程度不及实施例3中的氮化硼粒子，尤其是取向程度不及高层数的层状复合材料中氮化硼粒子，主要是聚合物熔体流经实施例2中层倍增器时受到强烈的拉伸强切作用，致使氮化硼的取向度更高。
经检测，中子透过率i/i0=0.64,质量衰减系数为2.94g/cm2，拉伸强度18.6mpa，表面导热率4.03w/mk。
对比例3-（2）
（1）选用高密度聚乙烯（5000s，燕山石化有限公司生产），熔体指数为1g/10min（190℃，2.16kg）；氮化硼（rh-n，丹东科技有限公司），主含量99%，三氧化二硼≤0.5%，水份≤0.5%；聚乙烯蜡，熔点103℃，万华化工有限公司。先将氮化硼在80℃的烘箱干燥8小时，然后将各原料称重备料，备料重量比例为：高密度聚乙烯：氮化硼：聚乙烯蜡=100：27.5:0，按此比例配料投入高搅机中混合。
（2）将混合物分别利用双螺杆挤出机混合、造粒、冷却，形成直径约为1mm，长度约为3mm的圆柱体预混合颗粒物，其中双螺杆加料口、输送段、熔融段、均化段、口模的温度分别为155℃、195℃、195℃、195℃、190℃，将预混颗粒物置于80℃烘箱中干燥12h备用。
（3）将上述得到的干燥好的预混颗粒物投入单独的一台挤出机中熔融挤出，经过狭缝口模后、冷却、定型，得到的片状复合材料的尺寸为宽40mm、厚2mm。其中，挤出机、输送段、熔融段、均化段、狭缝口模的温度分别为100～160℃、180～250℃、190～250℃、190～250℃、190～250℃。
经环境扫描电镜分析，通过传统狭缝口模挤出制备的片状复合材料，氮化硼也有取向，但是其取向程度不及实施例3-（1）中的氮化硼粒子。
经检测，中子透过率i/i0=0.66,质量衰减系数为2.90g/cm2，拉伸强度18.4mpa，表面导热率3.92w/mk。由此可见，聚乙烯蜡的加入可以使氮化硼粒子的取向程度增加，中子透过率减少，导热系数也得到提高。