一种屏蔽中子和γ射线的氮化硼/高熵陶瓷氧化物和复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种屏蔽中子和γ射线的氮化硼/高熵陶瓷氧化物和复合涂层及其制备方法，属于防辐射领域。本发明专利技术要解决单一材料较难实现中子和γ射线的同时屏蔽的问题。本发明专利技术的A2B2O7型高熵陶瓷粉末中元素A是Gd、Er、Sm、La、Ce、Eu、Dy中的五种或者五种以上的元素组成，元素B为Hf；高熵陶瓷粉末表面包裹有氮化硼构成复合填料，所述复合填料和树脂形成复合涂层。本发明专利技术应用于航天器、放射性医疗、核反应堆等领域。等领域。等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种屏蔽中子和
γ
射线的氮化硼/高熵陶瓷氧化物和复合涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于防辐射领域，具体地说，涉及一种一种A2B2O7型高熵陶瓷粉末及其制备方法，及一种氮化硼/高熵陶瓷氧化物复合填料及其制备方法，以及一种屏蔽中子和γ射线的氮化硼/高熵陶瓷氧化物复合涂层及其制备方法。可应用于航天器、放射性医疗、核反应堆等领域，具有十分广泛的应用前景。

技术介绍

[0002]随着核科学技术的不断发展，核辐射源和设施被广泛应用于核能、工业、医药和粒子加速器等领域，为人们的工作和生活提供了极大的便利。但是，辐射源和设施在造福人类的同时，随之可能发生的辐射泄露却会造成严重的健康影响，如皮肤烧伤、心血管疾病和癌症等。所以为了安全地从核辐射中获益，采取一定的辐射防护措施是十分必要的，其中中子和伽马射线在各种核射线中应用最广。同时，也是防护研究中的热点和难点。
[0003]中子是一种不带电的粒子，中子通过物质时与原子核外电子几乎不发生相互作用，主要与原子核相互作用，其本身具很强穿透力对人体造成的伤害较同剂量的其它射线更大。对中子的屏蔽作用实际上就是快中子慢化、慢中子的吸收，而γ与物质相互作用主要以光电效应、康普顿散射、电子对效应。对高能中子的屏蔽，首先是选用中重的金属材料，使中子通过非弹性散射能量迅速减小到非弹性散射阈能以下，再通过弹性散射来进一步慢化，而材料原子序数越低越容易通过弹性散射使中子慢化(比如：氢、锂、硼等)，吸收慢中子时，要求吸收材料具有较大的中子吸收截面，并且放出的次级伽马射线能量越低越好。近几年来，一些稀土元素如钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)等因为具有比硼、镉还高的热中子吸收截面成为新型的中子吸收剂，并且高原子序数元素还兼具使γ射线衰减的功能；然而钆、钐、铕、镝等元素通过非弹性散射慢化快中子或者辐射俘获吸收热中子所放出的次级γ射线能量很高，而硼吸收热中子产生的反应放出的次级γ射线能量较低，因此稀土元素相比硼存在更强的二次放射性。重金属铅、钨、铋、铪等是常用的γ射线屏蔽材料，但重金属存在弱吸收边，稀土元素的K层吸收边正落在此区域上，稀土元素和重金属共混联用可弥补此弱吸收区，因此中子与γ射线屏蔽的过程是高原子序数和低原子序数元素相互辅助相互配合的过程。
[0004]2015年Rost等人以金属氧化物为原料，首次合成高熵氧化物，并且将大于等于5种阳离子或阴离子以等比例或近等比例相互固溶而形成的一种新型多元素陶瓷材料定义为高熵陶瓷。拥有传统陶瓷不具备的特性，即高熵效应、晶格畸变效应、迟滞扩散效应和鸡尾酒效应。高熵氧化物发展潜力巨大,但是目前关于高熵氧化物用于辐射屏蔽领域的研究少之又少。

技术实现思路

[0005]目前对于辐射屏蔽材料的相关研究材料设计较为单一，对新型材料的开发利用的
研究较少。单一材料较难实现中子和γ射线的同时屏蔽，本专利技术利用氮化硼的低原子序数实现快中子的慢化，又利用高熵陶瓷氧化物元素的灵活调变能力，使同一材料中既包含对中子高吸收截面的组分(Sm、Gd)，又包含高效屏蔽γ射线的组分(Hf、La、Sm、Gd、Er、Ce)，利用包覆的双层结构，实现快中子在材料中的逐级衰减。
[0006]制备过程中通过简单混合容易使填料之间发生团聚，本专利技术通过复合的形式实现氮化硼和高熵陶瓷在微尺度的结合，减少了相同填料团聚的概率。除此之外，本专利技术还利用高熵陶瓷氧化物中不同元素在不同晶格位点上随机分布，实现原子级别的混合，充分发挥元素在屏蔽过程中发挥的不同作用，实现射线在晶格之间的梯度式衰减，增加了射线在材料中的衰减概率，大大提高了衰减性能。
[0007]本专利技术的高熵氧化物可通过晶体内多种元素实现相互配合，从而缩短了射线在元素之间的屏蔽距离，在辐射防护领域具有很大潜力。
[0008]本专利技术提供了一种A2B2O7型高熵陶瓷粉末，其特征在于，元素A是Gd、Er、Sm、La、Ce、Eu、Dy中的五种或者五种以上的元素组成，元素B为Hf。
[0009]本专利技术还提供了A2B2O7型高熵陶瓷粉末的制备方法，所述制备方法是将元素A氧化物粉末和元素B的氧化物粉末球磨，在60℃～80℃下真空干燥至少5h，在900℃
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1700℃下烧结1h
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20h，得到A2B2O7型高熵陶瓷粉末。
[0010]进一步限定，以锆珠为磨球，磨球直径2mm，球料比为(1～5):1，例如球料比可以为1:1、2:1、3:1、4:1、5:1等。
[0011]进一步限定，球磨转速为100rpm～500rpm，例如球磨转速可以为100rpm、200rpm、300rpm、400rpm、500rpm等。
[0012]进一步限定，球磨时间为5h
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25h，例如球磨时间可以为5h、10h、15h、20h、25h等。
[0013]进一步限定，高温烧结的温度可以为900℃、1100℃、1300℃、1500℃、1700℃等。
[0014]进一步限定，球磨时间可以为5
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25h，例如5h、10h、15h、20h、25h等。
[0015]本专利技术还提供了一种氮化硼/高熵陶瓷氧化物复合填料，所述复合填料是上述高熵陶瓷粉末或者上述方法制备的高熵陶瓷粉末表面包裹有氮化硼，氮化硼负载量为5％(质量)～30％(质量)。
[0016]在本专利技术中，氮化硼/高熵陶瓷氧化物复合填料的制备方法可以采用以下几种方法进行：
[0017]方法1以氮化硼和上述高熵陶瓷粉末或者上述方法制备的高熵陶瓷粉末为原料，通过球磨的方式机械合金化复合制成。
[0018]方法2将H3BO3与上述高熵陶瓷粉末或者上述方法制备的高熵陶瓷粉末湿法球磨，氢气下还原生成氮化硼。
[0019]方法3是球磨尿素改性氮化硼后加入上述高熵陶瓷粉末或者上述方法制备的高熵陶瓷粉末超声冷冻干燥。
[0020]本专利技术还提供了一种屏蔽中子和γ射线的氮化硼/高熵陶瓷氧化物复合涂层，所述复合涂层是由树脂基体和上述复合填料或者上述方法制备的复合填料制成，所述复合填料掺量为10％～50％(质量)，例如：填料质量分数为5％、10％、15％、20％、25％、30％等。
[0021]进一步限定，涂层厚度为1cm～5cm。
[0022]进一步限定，所述树脂基体选用环氧树脂、硅橡胶、粘土矿物或高密度聚乙烯。
[0023]本专利技术还提供了一种屏蔽中子和γ射线的氮化硼/高熵陶瓷氧化物复合涂层的制备方法，所述制备方法如下：
[0024]将高熵陶瓷粉体与树脂基体用三辊研磨机进行机械搅拌至均匀，然后涂覆在需进行辐射防护的物体表面，在50℃～120℃下干燥8h～10h即可。
[0025]进一步地限定，涂层涂覆方式可以选用灌注法、喷涂法、刮涂法等。
[0026]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0027]本专利技术首次利用高原子序数高熵氧化物结合氮化硼实现中子和γ射线的共同屏蔽。利用高熵氧化物相同晶胞中同时存在多种高原子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种A2B2O7型高熵陶瓷粉末，其特征在于，元素A是Gd、Er、Sm、La、Ce、Eu、Dy中的五种或者五种以上的元素组成，元素B为Hf。2.如权利要求1所述A2B2O7型高熵陶瓷粉末的制备方法，其特征在于，所述制备方法是将元素A氧化物粉末和元素B的氧化物粉末球磨，在60℃～80℃下真空干燥至少5h，在900℃
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1700℃下烧结1h
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20h，得到A2B2O7型高熵陶瓷粉末。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，球料比为(1～5):1，球磨转速为100rpm～500rpm，球磨时间可以为5h
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25h。4.一种氮化硼/高熵陶瓷氧化物复合填料，其特征在于，所述复合填料是权利要求1所述高熵陶瓷粉末或者权利要求2或3方法制备的高熵陶瓷粉末表面包裹有氮化硼，氮化硼负载量为5％(质量)～30％(质量)。5.如权利要求4所述的复合填料的制备方法，其特征在于，所述制备方法是以氮化硼和权利要求1所述高熵陶瓷粉末或者权利要求2或3方法制备的高熵陶瓷粉末为原料，通过球磨的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴晓宏，魏文静，李杨，洪杨，卢松涛，秦伟，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学重庆研究院，
类型：发明
国别省市：