供稿人：张梦慧、曹毅 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2024-12-18
核能是安全、清洁、低碳、高能量密度的战略能源，在能源、医疗、工业等各领域都得到了广泛应用。核能技术的蓬勃发展对带动装备制造业走向高端、推动经济发展、确保能源安全意义重大。
随着核能技术朝着小型化、轻量化和可移动发展，首先需要解决辐射屏蔽的小型化和轻量化问题，尤其是中/光子具有不同屏蔽机理所带来的多射线综合屏蔽难题，已经成为阻碍核能小型化的技术难题之一。最近研究表明，聚乙烯、聚丙烯、石蜡等为代表的聚合物屏蔽材料具有轻质、安全、易加工的特点，将这种聚合物屏蔽材料大量应用在屏蔽领域，可有效屏蔽中子屏蔽。其中，复合材料是由多种功能材料复合而成，原理上可以复合多种屏蔽材料的不同功能特性，在辐射屏蔽领域引起了广泛研究。
为了解决γ和中子多射线并行屏蔽多射线的材料和制造问题，西安交通大学李涤尘团队提出了针对高性能中/光子多射线辐射屏蔽聚醚醚酮复合材料3D打印性能研究，采用高性能聚合物聚醚醚酮（PEEK）为基体，碳化硼和钨为屏蔽增强材料，设计了具有中子、γ射线吸收功能的多射线并行屏蔽复合材料，通过FDM工艺成功制备了中/光子多射线辐射屏蔽构件，开展了打印样件的性能仿真和测试研究，实验结果证明具有良好的综合热力学性能和辐射屏蔽性能，在辐射防护领域具有较好的研究意义和工程应用价值。
（a）线性衰减系数的仿真值与测试值对比 （b）质量衰减系数的仿真值与测试值对比
图1 不锈钢与屏蔽复材的光子屏蔽性能对比
首先，采用融指优化、材料改性和螺杆挤出优化方法，获得了射线屏蔽功能填料含量高达约24vol%且孔隙在0.19%以下的多射线屏蔽复合材料的3D打印丝材。
图2 优化后螺杆挤出丝材微观表征
通过优化材料挤出成形的打印层高、线重叠率、填充流量参数，使得B4C/W/PEEK屏蔽复材的打印孔隙率均低于2%以下，提高了屏蔽试样的成型质量。同时，B4C/W/PEEK屏蔽复合材料的3D打印力学试样的抗拉强度为37.57~57.28MPa，抗弯强度为49.40~130.49MPa。
图3 优化打印工艺参数对孔隙率的影响
本研究开展了面向中/光子多射线辐射屏蔽聚醚醚酮复合材料3D打印性能研究，设计并制备了可用于中/光子多射线屏蔽的复合材料及丝材。相较于等厚度的不锈钢辐射屏蔽工程应用材料，30wt%B4C/15wt%W/PEEK屏蔽复合材料在减重80%的情况下，对镅鈹中子源的屏蔽性能是不锈钢的2.14倍，5wt%B4C/70wt%W/PEEK屏蔽复合材料在减重54.96%的情况下，对137Csγ射线的屏蔽性能约为不锈钢的63%。相较于等质量的不锈钢屏蔽材料，B4C/W/PEEK屏蔽复合材料的对镅鈹中子源的最优屏蔽性能是不锈钢的3.55倍，对137Csγ射线的最优屏蔽性能是不锈钢的1.2倍。中子和光子的屏蔽测试结果与仿真结果具有良好的一致性，B4C/W/PEEK屏蔽复合材料具有良好的轻质多射线屏蔽特性。