一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法技术

本发明专利技术公开了一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，首先使用三维建模软件进行三维交织结构建模，再通过有限元工程分析软件进一步进行设计与优化结构，得到骨架的打印路径；然后将骨架材料、多种核射线屏蔽材料和光电材料分别均匀分散，制备3D打印专用材料；接着按照打印路径，采用骨架材料打印出三维交织结构的骨架；在骨架外部，采用多种核射线屏蔽材料打印出外侧填充结构；在骨架内部，采用光电材料打印出内部填充结构；最后通过层层堆叠打印，直至加工出核辐射屏蔽的轻质增材样品。本发明专利技术通过增材制造工艺实现复杂的结构化设计并做到实体的加工与制造，克服了核辐射屏蔽体传统制造加工的缺陷。辐射屏蔽体传统制造加工的缺陷。辐射屏蔽体传统制造加工的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法


[0001]本专利技术涉及核辐射屏蔽设计领域，具体涉及一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法。

技术介绍

[0002]核燃料在反应堆裂变的过程中，会产生大量的逃逸中子、伽马射线等多种射线。在屏蔽防护层的设计当中，因为核辐射种类较多且微观粒子运动时表现的不确定性，往往是用厚实致密的屏蔽材料进行简单的层层叠加和包裹进行屏蔽。受制于传统制造技术上的缺陷，每层屏蔽材料又只能单独制造成形，故而存在着屏蔽体复杂结构难成形、层与层之间力学性能差、研制周期长、加工难度大等问题。同时传统屏蔽材料大多形式单一，密度大，又难以满足未来对核反应堆小型化、轻量化、可移动性的要求。
[0003]另外，核辐射中以伽马射线为代表的多种电磁波射线，其屏蔽机理一直主要是用铅、钨等重原子序数材料吸收降能，大量的光子能最终以热能的形式传播了出去，并没有得到一定的有效转化与利用。
[0004]有鉴于此，确有必要提出一种针对多射线防护及并行自发电的轻质核辐射屏蔽体，并以先进的增材制造技术实现制造成形。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，以解决核辐射屏蔽体传统结构笨重、缺乏灵活机动的缺点，通过光电材料实现核射线中部分光子能转换实现自发电，同时解决屏蔽体复杂结构的工艺成型问题，本专利技术通过增材制造工艺实现复杂的结构化设计并做到实体的加工与制造，克服了核辐射屏蔽体传统制造加工的缺陷。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，包括以下步骤：
[0008]步骤一：使用三维建模软件进行三维交织结构建模，再通过有限元工程分析软件进一步进行设计与优化结构，得到骨架的打印路径；
[0009]步骤二：将骨架材料、多种核射线屏蔽材料和光电材料分别均匀分散，制备3D打印专用材料；
[0010]步骤三：按照打印路径，采用骨架材料制备的3D打印专用材料打印出三维交织结构的骨架；在骨架外部，采用多种核射线屏蔽材料制备的3D打印专用材料打印出外侧填充结构；在骨架内部，采用光电材料制备的3D打印专用材料打印出内部填充结构；
[0011]步骤四：通过层层堆叠打印，直至加工出核辐射屏蔽的轻质增材样品。
[0012]进一步地，所述骨架采用含氢聚合物轻质材料。
[0013]进一步地，所述骨架材料具有一定的快中子慢化和力学性能，骨架材料采用聚乙烯、聚醚醚酮、尼龙、环氧树脂和聚酯纤维中任意一种单材料或至少两种材料组合的混合材
料。
[0014]进一步地，所述多种核射线屏蔽材料采用针对中子、低能伽马及X射线的吸收材料。
[0015]进一步地，所述多种核射线屏蔽材料是两类材料的组合，一类针对慢中子吸收用的材料，采用单质硼、碳化硼、氮化硼中的一种单材料或至少两种组合的混合材料，另一类是针对低能伽马和X射线屏蔽用的材料，采用钨、碳化钨、铅、氧化铋中的一种单材料或至少两种组合的混合材料。
[0016]进一步地，所述光电材料采用三维致密的光电薄膜材料。
[0017]进一步地，所述光电材料采用钙钛矿、Mxene中的单材料或这两类材料组合的混合材料。
[0018]进一步地，所述多种核射线屏蔽材料通过设计若干种方案并利用粒子输运计算软件进行核辐射仿真计算，根据最优解得到最佳的骨架外填充方案。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：
[0020]本专利技术包括三维交织结构的骨架成型，骨架内多层光电薄膜材料成型，骨架外多种核射线屏蔽材料成型，本专利技术首先解决了核屏蔽结构设计因为传统工艺上的不足只能对材料层做简单的叠加问题，通过增材制造工艺实现复杂的结构化设计并做到实体的加工与制造，其次采用有限元工程结构软件分析并优化，在满足核屏蔽结构的轻量、小型等要求的同时，也保证了该结构的力学稳定性。另外，增材制造技术的应用大大提高了核屏蔽设计工作的效率，方便对打印出的屏蔽件迅速进行检测与应用。
[0021]进一步地，在核屏蔽体中参杂的具有较强共振特性的光电材料，其在遇到核辐射中某些实质是电磁波的多种射线，比如伽马射线、X射线等，这些射线的光子能量使得光电材料中的电子逸出产生电能，发生光电效应，实现自发电的并行能力，促进核能的进一步有效开发和利用。
附图说明
[0022]说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0023]图1为三维交织结构的核屏蔽体；
[0024]图2为基体材料打印部件；
[0025]图3是多种核射线屏蔽材料打印部件；
[0026]图4是光电材料打印部件；
[0027]图5是实验方案设计流程图。
[0028]其中，图1中：具有网格划分的面属于骨架内光电薄膜材料填充，其余线条为按某力学要求优化得到的骨架，方体除上述的其余部分均属于多种核射线屏蔽材料填充；
[0029]图2～图4中：1、3D打印机进丝卷筒；2、第一进料口；3、摇臂；4、加热块；5、喷嘴；6、平台；7、内部进料管；8、进料口；9、外部进料管；10、开关；11、螺杆；12、热电阻；13、热电偶；14、雾化喷嘴。
具体实施方式
[0030]下面结合附图对本专利技术的实施方式做进一步详细描述：
[0031]本专利技术提供了一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法。该方法首先借助三维建模软件进行三维基体骨架的建模。再通过有限元工程分析软件进行分析优化，在保证整体结构力学性能要求的同时，确定骨架的空间位置分布、骨架直径、支撑走向。再设置多组骨架外多种核射线屏蔽材料填充方案，通过粒子输运计算软件仿真模拟，得到骨架外多种核射线屏蔽材料的最佳质量配比、空间位置分布、空间厚度分布。最后采用增材制造技术进行3D打印，实现含氢聚合物轻质材料的骨架、骨架内光电薄膜材料、骨架外多种核射线屏蔽材料的一体化加工与制造。
[0032]本专利技术通过增材制造方法实现多射线屏蔽和自发电功能的轻质核辐射屏蔽体，相应的实验步骤如下所示：
[0033]使用三维建模软件进行三维结构建模，再通过有限元工程分析软件进一步进行设计与优化结构，得到打印路径。
[0034]多种核射线屏蔽材料通过设计若干种方案并利用粒子输运计算软件进行核辐射仿真计算，根据最优解得到最佳的骨架外填充设计方案。
[0035]将基体材料、多种核射线屏蔽材料、光电材料分别充分混合，均匀分散，制备3D打印专用复合材料(丝材、粒料、粉料)。
[0036]按照打印路径，通过增材制造技术打印出三维交织结构的基体。
[0037]在骨架外部，通过增材制造技术打印出多种核射线屏蔽材料。
[0038]在骨架内部，通过增材制造技术打印出多层光电薄膜材料。
[0039]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：使用三维建模软件进行三维交织结构建模，再通过有限元工程分析软件进一步进行设计与优化结构，得到骨架的打印路径；步骤二：将骨架材料、多种核射线屏蔽材料和光电材料分别均匀分散，制备3D打印专用材料；步骤三：按照打印路径，采用骨架材料制备的3D打印专用材料打印出三维交织结构的骨架；在骨架外部，采用多种核射线屏蔽材料制备的3D打印专用材料打印出外侧填充结构；在骨架内部，采用光电材料制备的3D打印专用材料打印出内部填充结构；步骤四：通过层层堆叠打印，直至加工出核辐射屏蔽的轻质增材样品。2.根据权利要求1所述的一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，其特征在于，所述骨架采用含氢聚合物轻质材料。3.根据权利要求2所述的一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，其特征在于，所述骨架材料具有一定的快中子慢化和力学性能，骨架材料采用聚乙烯、聚醚醚酮、尼龙、环氧树脂和聚酯纤维中任意一种单材料或至少两种材料组合的混合材料。4.根据权利要求1所述的一种多射线...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹毅，万坤，李涤尘，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：