專利名稱：具有射線及中子綜合屏蔽效果的高強(qiáng)鉛基材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于具有X、Y射線以及中子綜合屏蔽效果的金屬基(鉛基)屏蔽材料及其制備方法，特別是高強(qiáng)度、輕質(zhì)量、多種屏蔽效果的屏蔽材料及制備方法。
背景技術(shù)：
隨著化石能源的枯竭，核能作為一種清潔能源，其應(yīng)用領(lǐng)域日趨擴(kuò)大，對(duì)屏蔽材料的要求也愈來(lái)愈高，具有X、υ射線和中子輻射綜合屏蔽材料一直是核安全領(lǐng)域的重要課題?，F(xiàn)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(fù)合材料、含鉛硼混凝土以及含硼不銹鋼。在鉛硼聚乙烯復(fù)合材料中，由于聚乙烯屬于高分子材料，軟化溫度為130°C，導(dǎo)致鉛硼聚乙烯復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度和耐熱性差，其抗拉強(qiáng)度為IOMI^a左右， 布氏硬度僅為3 4，嚴(yán)重制約了其應(yīng)用；B4C/Pb復(fù)合材料是將Pb-X(X = Sb、Sn、Ag、Au、Cr 等)合金與B4C增強(qiáng)體通過粉末冶金或熔鑄成型法復(fù)合而成，可作為吸收中子、遮擋X、γ射線的材料，但強(qiáng)度和塑性較低，其抗拉強(qiáng)度為48. 2MPa，布氏硬度為22. 13，導(dǎo)致其不能單獨(dú)作為結(jié)構(gòu)材料使用，而且難以制備出大尺寸的復(fù)合材料；含鉛硼混凝土重量大，可移動(dòng)性較差，成分復(fù)雜；含硼不銹鋼對(duì)Y射線及中子的屏蔽性能比鐵優(yōu)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(dǎo)致屏蔽系統(tǒng)總重增加，而提高硼含量對(duì)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(chǔ)存和運(yùn)輸設(shè)備的結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yōu)越的屏蔽中子的特性。鉛對(duì)X、β、υ射線的吸收和散射最為強(qiáng)烈，既能屏蔽掉一次和二次 γ射線，也不會(huì)成為第二次放射源。二者結(jié)合是最理想的核輻射屏蔽材料。因此，將硼或硼化物與鉛復(fù)合，開發(fā)出具有多重屏蔽效果、質(zhì)量輕、高強(qiáng)度特點(diǎn)的X、υ射線和中子綜合屏蔽材料，提高屏蔽材料的力學(xué)性能和屏蔽性能，不僅是核安全領(lǐng)域的重要研究課題，同時(shí)也是推廣核能應(yīng)用的重要保障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有射線及中子綜合屏蔽效果的高強(qiáng)鉛基材料及其制備方法，可使屏蔽材料的力學(xué)與屏蔽性能更高、加工生產(chǎn)更方便、制造成本更低廉。解決本發(fā)明的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是屏蔽材料由PbMgAl鉛基合金與硼或硼化物組成。所述的屏蔽材料組成組分的質(zhì)量百分比為硼或硼化物0.3% 10%，其余為鉛
基合金ο所述的PbMgAl鉛基合金中各組分的質(zhì)量百分比為Mg 10% 50%、Α12% 20%、余量為此。本發(fā)明上述的具有射線及中子綜合屏蔽效果的高強(qiáng)鉛基材料的制備工藝為先制備出PbMgAl鉛基合金，最后添加硼或硼化物，使各個(gè)組元充分反應(yīng)，以獲得組織細(xì)密，結(jié)合良好的具有射線及中子綜合屏蔽效果的高強(qiáng)鉛基屏蔽材料。制備過程中，應(yīng)保證各組元充分反應(yīng)。由于硼、鉛兩元素的物理和化學(xué)性質(zhì)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(fù)合制備出I^bMgAl鉛基合金，利用1 與Mg、Mg與Al生成的高強(qiáng)度金屬化合物，提高鉛基合金的強(qiáng)度；再添加硼或硼化物，利用 Mg、Al與硼或硼化物的互容性，實(shí)現(xiàn)鉛、硼的均質(zhì)化，獲得高強(qiáng)度鉛-鎂-鋁-硼或硼化物鉛基射線/中子屏蔽材料。本發(fā)明的有益效果是通過元素Mg、Al和硼或硼化物的加入，利用1 與Mg、Mg與 Al生成的高強(qiáng)金屬化合物，獲得高強(qiáng)度的鉛-鎂-鋁-硼或硼化物鉛基射線/中子屏蔽材料，其抗拉強(qiáng)度和硬度指標(biāo)大大高于傳統(tǒng)的鉛合金以及HVB4C復(fù)合材料和鉛硼聚乙烯，分別達(dá)到12010^和165冊(cè)5，延伸率為6.87(%。同時(shí)具有X、Y射線和中子綜合屏蔽效果，厚度為20mm的高強(qiáng)度鉛-鎂-鋁-硼或硼化物鉛基射線/中子屏蔽材料對(duì)能量為65KeV、 118KeV和250KeV的X射線屏蔽率分別達(dá)到97. 9%,99. 22%和90. 29%，有效地解決了能量介于40 88KeV之間“ 1 的弱吸收區(qū)”問題；對(duì)、射線的屏蔽率為49. 75% (137Cs源) 和34. 25% (6tlCo源)；中子的屏蔽率高達(dá)92. 73% ；在1 和B含量較現(xiàn)有屏蔽材料低的情況下，單位質(zhì)量的I^b-B鉛基射線/中子屏蔽復(fù)合材料屏蔽效果優(yōu)于HVB4C復(fù)合材料和含硼不銹鋼，而與鉛硼聚乙烯相當(dāng)。實(shí)現(xiàn)鉛-鎂-鋁-硼或硼化物鉛基射線/中子屏蔽材料的屏蔽功能-力學(xué)結(jié)構(gòu)一體化。在提高屏蔽性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)屏蔽設(shè)施的簡(jiǎn)化和輕量化。


圖1是本發(fā)明鉛-鎂-鋁-硼鉛基射線/中子屏蔽材料的微觀組織掃描電鏡圖。圖2是本發(fā)明鉛-鎂-鋁-硼化物鉛基射線/中子屏蔽材料的微觀組織掃描電鏡圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 在熔煉爐中加入質(zhì)量百分比為49%的Pb、39. 2%的Mg和9. 8%的Al， 再添加2. 0%的硼。此時(shí)整個(gè)屏蔽材料中PbMgAl鉛基合金質(zhì)量百分比為98% ；B為2% ； PbMgAl合金中各組成組分質(zhì)量百分比為Pb 50%, Mg 40%, Al 10%。攪拌2 5min，使各組元充分反應(yīng)生成，靜置2 ;3min。澆鑄制備成高強(qiáng)度鉛_鎂-鋁_硼鉛基射線/中子屏蔽材料。測(cè)試效果如下①微觀組織特征經(jīng)過對(duì)試樣表面處理(打磨一拋光一腐蝕)后，采用掃描電鏡 (型號(hào)為XL30ESEM-TMP)觀察分析試樣的微觀組織特征，如圖1所示。測(cè)試表明合金組織分布均勻，且含B相與含1 相的界面結(jié)合狀況良好。②抗拉強(qiáng)度測(cè)試制備成測(cè)試試樣棒在拉伸力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明高強(qiáng)度鉛-鎂-鋁-硼鉛基射線/中子屏蔽材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到120MPa，是 Pb/B4C復(fù)合材料和鉛硼聚乙烯的3 12倍，見表1。延伸率為6. 87%。
③布氏硬度測(cè)試在HB-3000型布氏硬度計(jì)上測(cè)定屏蔽材料的布氏硬度，測(cè)試結(jié)果表明高強(qiáng)度鉛-鎂-鋁-硼鉛基射線/中子屏蔽材料的布氏硬度為165，是HVB4C復(fù)合材料和鉛硼聚乙烯的8 40倍，見表1。④屏蔽性能測(cè)試?yán)肕G452型X射線系統(tǒng)進(jìn)行X射線屏蔽性能檢測(cè)，X射線能量分別為65keV、lWkeV和250keV。利用、射線照射量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行Y射線屏蔽性能的測(cè)試，放射源為137Cs (射線能量661KeV)和6tlCo (射線能量1. 25MeV)。中子屏蔽實(shí)驗(yàn)采用PTW-UNID0S電離室型標(biāo)準(zhǔn)劑量?jī)x和Am-Be中子源慢化實(shí)驗(yàn)裝置檢測(cè)。表2表明高強(qiáng)度鉛-鎂-鋁-硼鉛基射線/中子屏蔽材料對(duì)能量為65KeV、1 ISKeV和250KeV的X射線屏蔽率分別達(dá)到97. 9%,99. 22%和90. 29%，有效地解決了能量介于40 88KeV之間“Pb的弱吸收區(qū)”問題；對(duì)Y射線的屏蔽率為49. 75% (137Cs源)和34. 25% (60Co源)；中子的屏蔽率高達(dá)92. 73%。表3說明，在1 和B含量較現(xiàn)有屏蔽材料低的情況下，單位質(zhì)量的鉛-鎂-鋁-硼鉛基射線/中子屏蔽材料屏蔽效果優(yōu)于純鉛和HVB4C復(fù)合材料，且與鉛硼聚乙烯相當(dāng)。實(shí)施例2 在熔煉爐中加入質(zhì)量百分比為50%的此、35%的Mg和10%的Al，再添加5. 0%的硼化物。此時(shí)整個(gè)屏蔽材料中PbMgAl鉛基合金質(zhì)量百分比為95% ；硼化物為 5%;PbMgAl合金中各組成組分質(zhì)量百分比為Pb 52. 6%,Mg 36.8%,A1 10.5%。攪拌2 5min,使各組元充分反應(yīng)生成，靜置2 ;3min。澆鑄制備成高強(qiáng)度鉛_鎂-鋁_硼化物鉛基射線/中子屏蔽材料。測(cè)試效果如下①微觀組織特征經(jīng)過對(duì)試樣表面處理(打磨一拋光一腐蝕)后，采用掃描電鏡 (型號(hào)為XL30ESEM-TMP)觀察分析試樣的微觀組織特征，如圖2所示。測(cè)試表明合金組織分布均勻，各相的界面結(jié)合狀況良好。②抗拉強(qiáng)度測(cè)試制備成測(cè)試試樣棒在拉伸力學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明高強(qiáng)度鉛-鎂-鋁-硼化物鉛基射線/中子屏蔽材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)到105MPa， 見表1。延伸率為3. 19%。③布氏硬度測(cè)試在HB-3000型布氏硬度計(jì)上測(cè)定屏蔽材料的布氏硬度，測(cè)試結(jié)果表明高強(qiáng)度鉛-鎂-鋁-硼化物鉛基射線/中子屏蔽材料的布氏硬度為140，見表1。④屏蔽性能測(cè)試?yán)肕G452型X射線系統(tǒng)進(jìn)行X射線屏蔽性能檢測(cè)，X射線能量分別為65keV、lWkeV和250keV。利用、射線照射量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行Y射線屏蔽性能的測(cè)試，放射源為137Cs (射線能量661KeV)和6tlCo (射線能量1. 25MeV)。中子屏蔽實(shí)驗(yàn)采用PTW-UNID0S電離室型標(biāo)準(zhǔn)劑量?jī)x和Am-Be中子源慢化實(shí)驗(yàn)裝置檢測(cè)。表2表明高強(qiáng)度鉛-鎂-鋁-硼化物鉛基射線/中子屏蔽材料對(duì)能量為65KeV、1 ISKeV和250KeV的X射線屏蔽率分別達(dá)到97. 86%,99. 17%和89. 47%，有效地解決了能量介于40 88KeV之間“Pb 的弱吸收區(qū)”問題；對(duì)Y射線的屏蔽率為46. 81% (137Cs源)和31. 97% (60Co源)；中子的屏蔽率達(dá)89. 5%。表3說明，在1 和B含量較現(xiàn)有屏蔽材料低的情況下，單位質(zhì)量的鉛-鎂-鋁-硼化物鉛基射線/中子屏蔽材料屏蔽效果優(yōu)異。表1為本發(fā)明屏蔽材料的抗拉強(qiáng)度與布氏硬度對(duì)比表。表 權(quán)利要求
1.一種具有射線及中子綜合屏蔽效果的高強(qiáng)鉛基材料，其特征是屏蔽材料由I^bMgAl 鉛基合金與硼或硼化物組成。
2.按權(quán)利要求1所述的具有射線及中子綜合屏蔽效果的高強(qiáng)鉛基材料，其特征是屏蔽材料組成組分的質(zhì)量百分比為，硼或硼化物0. 3% 10%，其余為鉛基合金。
3.按權(quán)利要求2所述的具有射線及中子綜合屏蔽效果的高強(qiáng)鉛基材料，其特征是 PbMgAl鉛基合金中各組分的質(zhì)量百分比為Mg 10% 50%、Al洲 20%、余量為Pb。
全文摘要
本發(fā)明屬于具有X、γ射線以及中子綜合屏蔽效果的金屬基(鉛基)屏蔽材料，特別是高強(qiáng)度、輕質(zhì)量、多種屏蔽效果的屏蔽材料。屏蔽材料的組成為基體為鉛基合金PbMgAl(Mg10%～50%，Al2%～10%，余量為Pb，質(zhì)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鉛基合金的質(zhì)量百分比在90%～99.7%之間，硼或硼化物的質(zhì)量百分比在0.3%～10%之間。相比于傳統(tǒng)Pb基材料、Pb/B4C以及鉛硼聚乙烯復(fù)合材料，本發(fā)明的鉛-鎂-鋁-硼或硼化物金屬基復(fù)合材料不僅具有優(yōu)異的屏蔽X、γ射線和中子綜合屏蔽效果，而且其抗拉強(qiáng)度和布氏硬度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的Pb與B或B4C復(fù)合屏蔽材料，同時(shí)制造成本更低廉。
文檔編號(hào)C22C32/00GK102260813SQ20111018849
公開日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月6日
發(fā)明者何建洪, 孫勇, 彭明軍, 段永華 申請(qǐng)人:昆明理工大學(xué), 昆明理工峰潮科技有限公司