近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院等離子體所聚變堆包層與安全研究中心的霍志鵬副研究員及其指導的碩士研究生魯義東研制了一類(lèi)用于中子伽馬混合場(chǎng)輻射屏蔽的微米板Sm₂O₃增強含硼聚乙烯復合材料，同時(shí)針對材料的微結構與熱、力學(xué)以及輻射屏蔽性能之間的關(guān)聯(lián)機制展開(kāi)了實(shí)驗研究，并申請了1項發(fā)明專(zhuān)利。相關(guān)研究成果發(fā)表在材料科學(xué)1區TOP期刊Composites Science and Technology上。

輻射防護三要素包含時(shí)間防護、距離防護和屏蔽防護三種基本措施。在條件受限情況下，輻射工作人員必須長(cháng)時(shí)間在輻射場(chǎng)環(huán)境工作，因此輻射屏蔽材料成為最重要的一道核安全屏障。核反應產(chǎn)生的高能中子和伽馬射線(xiàn)穿透性強，會(huì )對人體造成組織損傷、生殖損傷和基因損傷，因此，如何屏蔽中子和伽馬射線(xiàn)成為核輻射防護的研究重點(diǎn)。傳統的鉛硼聚乙烯復合材料被廣泛應用于中子伽馬混合屏蔽場(chǎng)合，但鉛作為一種重金屬元素具有高生物毒性，對人和環(huán)境有害。稀土元素釤（Sm）同時(shí)具有高熱中子吸收截面與高原子序數，是一種理想的中子伽馬雙功能吸收劑。然而目前針對稀土元素相關(guān)的輻射屏蔽材料研究缺乏深入的材料微結構與復合材料性能之間關(guān)聯(lián)機制的研究報道。因此，合成具有特定微觀(guān)形貌和高比表面積的稀土填料用于中子伽馬復合屏蔽材料的研發(fā)十分必要。

本研究采用均相共沉淀法合成了一系列具有不同比表面積和粒徑分布的微米板Sm₂O₃填料，XRD測試確定了合成Sm₂O₃填料的物相為立方晶系、體心立方晶格，空間群為Ia3-（206），晶體學(xué)計算結果表明填料的晶粒尺寸隨反應物硝酸釤和尿素的摩爾比（R值）的減小而減小，而填料顆粒的比表面積隨R值減小而增大。合成Sm₂O₃填料的N₂吸附/脫附等溫線(xiàn)符合國際純粹與應用化學(xué)聯(lián)合會(huì )（IUPAC）分類(lèi)的IV型，回滯環(huán)為H₃型，與SEM圖像印證進(jìn)一步確定其微觀(guān)形貌為層狀堆疊帶狹縫狀孔隙的板狀結構，其BET比表面積可達9.12m²/g。研究發(fā)現通過(guò)改變R值可以調控Sm₂O₃晶粒生長(cháng)過(guò)程中奧斯特瓦爾德熟化和取向連接生長(cháng)機制之間的競爭平衡，獲得尺寸均一、高比表面積的微米板Sm₂O₃填料。晶粒沿不同晶面的生長(cháng)存在各向異性，晶粒沿不同晶面生長(cháng)的優(yōu)先級排序為( 622 ) > ( 440 ) > ( 400 ) > ( 222 )，晶粒沿優(yōu)勢晶面取向生長(cháng)形成一維納米微晶，隨后相鄰納米微晶通過(guò)直接鍵合和結晶進(jìn)一步組裝形成二維類(lèi)板結構，二維類(lèi)板結構遵循奧斯特瓦爾德熟化機制繼續生長(cháng)，最終形成尺寸2-3 微米的三維微米板結構。隨后制備了一系列不同比表面積微米板Sm₂O₃增強含硼聚乙烯復合材料，并研究了Sm₂O₃填料的微結構對于復合材料熱穩定性、力學(xué)與輻射屏蔽性能的影響。

結果表明，尺寸均一、高比表面積的微米板Sm₂O₃填料可以在基體分子鏈中產(chǎn)生更多的限制位點(diǎn)以提高復合材料的熱穩定性和力學(xué)性能，且在復合材料基體中具有更佳的分散性，其與中子和伽馬光子發(fā)生相互作用的機率更大，有利于提高復合材料的輻射屏蔽性能。輻射屏蔽測試表明厚度為15cm的優(yōu)選復合材料對²⁵²Cf中子源輻照屏蔽率達98.7%，對¹³⁷Cs伽馬源輻照屏蔽率達72.1%，優(yōu)于不含微米板Sm₂O₃填料的對照組材料。該工作從材料學(xué)的角度為輻射防護技術(shù)的進(jìn)步提供了新思路。

該研究得到了安徽省生態(tài)環(huán)境科研項目、安徽省高校協(xié)同創(chuàng )新項目、聚變堆主機關(guān)鍵系統綜合研究設施和合肥綜合性國家科學(xué)中心能源研究院（安徽省能源實(shí)驗室）等項目的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110567

圖1 微米板Sm₂O₃（a）填料和微米板Sm₂O₃增強含硼聚乙烯復合材料（b-c）的斷面SEM

圖2 微米板Sm₂O₃增強含硼聚乙烯復合材料的DSC（a）和應力應變曲線(xiàn)（b）?

圖3 微米板Sm₂O₃增強含硼聚乙烯復合材料的中子（a）和伽馬透射率（b）

圖4 微米板Sm₂O₃增強含硼聚乙烯復合材料的中子伽馬屏蔽機制示意圖?