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仪表网 研发快讯】近日，中国科学院合肥物质院等离子体所霍志鹏副研究员及其指导的硕士研究生陈左阳研制了一类微结构可调的PbWO4增强B4C/HDPE复合材料，通过精细调控PbWO4填料的微结构，实现了对中子和γ射线协同屏蔽性能的提升，并阐明了材料的微结构与热、力学、辐射屏蔽性能及服役耐久性之间的关联机制。相关研究成果发表在材料科学TOP期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing上，并申请了1项发明专利。
随着核能应用、放射治疗及太空探索等领域的快速发展，辐射防护材料的需求日益增长。中子和γ射线是两种常见的电离辐射，对人体和设备具有严重危害。传统防护材料往往只能针对单一辐射类型，或存在力学性能不足、耐老化性能差等问题。如何开发兼具高效辐射屏蔽、优良力学性能及服役耐久性的复合屏蔽材料，成为当前研究的挑战。
研究团队通过调控反应参数，合成了不同微结构的具有规整形貌的PbWO4填料，并与形貌无规的商用填料对比，系统分析了填料微结构对复合材料各项性能的影响。PbWO4的结晶度和晶面生长优先度差异导致了不同的微结构的形成。其中，微米粗糙球PbWO4-III填料因其表面富含次级微结构，比表面积得到显著提高。 高比表面积和均匀的粒径分布，强化了填料与基体的界面相容性，使其具有最佳的热稳定性和力学性能。
此外， PbWO4晶体可通过WO42-基团中O和W原子之间的电荷转移跃迁产生紫外吸收，增强了复合材料的抗紫外老化能力。Pb和W元素不但能高效吸收伽马光子，而且在快中子能区的中子总截面高于B元素，而B元素对热中子的吸收截面要高于Pb和W。因此，通过Pb、W和B元素的组合可实现对快、慢、热中子和伽马射线的协同屏蔽。而填料微结构的优化提升了材料与辐射粒子的相互作用概率，增强了PbWO4、B4C和HDPE的协同屏蔽效应。性能最优的微米粗糙球PbWO4-III/B4C/HDPE复合材料在15cm的厚度下，对252Cf中子源和137Cs伽马源的屏蔽率分别达到97.32 %和76.43 %，表现出最佳的中子总截面和线性衰减系数。
该研究通过PbWO₄填料的微结构调控，实现了复合材料性能的定向优化，将PbWO₄、B4C与HDPE结合，克服了传统材料难以同时屏蔽宽能区中子和γ射线的局限性，为高性能辐射防护材料的设计提供了新思路。
该研究得到了安徽省生态环境科研项目、安徽省高校协同创新项目、聚变堆主机关键系统综合研究设施和合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室)等项目的资助。
图1.(a)微米纺锤PbWO4-I、(b)微米球PbWO4-II、(c)微米粗糙球PbWO4-III、(d)商用PbWO4的SEM图像
图2. PbWO4增强含硼聚乙烯复合材料的中子伽马协同屏蔽机制示意图
图3. PbWO4增强含硼聚乙烯复合材料的实测中子(a)和伽马射线衰减曲线(b)
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