CN102260813A

CN102260813A - 具有射线及中子综合屏蔽效果的高强铅基材料

Info

Publication number: CN102260813A
Application number: CN2011101884947A
Authority: CN
Inventors: 段永华; 孙勇; 彭明军; 何建洪
Original assignee: KUNMING LIGONG FENGCHAO TECHNOLOGY Ltd; Kunming University of Science and Technology
Current assignee: KUNMING LIGONG FENGCHAO TECHNOLOGY Ltd; Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2011-07-06
Filing date: 2011-07-06
Publication date: 2011-11-30

Abstract

本发明属于具有X、γ射线以及中子综合屏蔽效果的金属基(铅基)屏蔽材料，特别是高强度、轻质量、多种屏蔽效果的屏蔽材料。屏蔽材料的组成为：基体为铅基合金PbMgAl(Mg10%～50%，Al2%～10%，余量为Pb，质量百分比)，硼或硼化物为中子吸收体。屏蔽材料的组分配比为：铅基合金的质量百分比在90%～99.7%之间，硼或硼化物的质量百分比在0.3%～10%之间。相比于传统Pb基材料、Pb/B₄C以及铅硼聚乙烯复合材料，本发明的铅-镁-铝-硼或硼化物金属基复合材料不仅具有优异的屏蔽X、γ射线和中子综合屏蔽效果，而且其抗拉强度和布氏硬度远高于现有的Pb与B或B₄C复合屏蔽材料，同时制造成本更低廉。

Description

具有射线及中子综合屏蔽效果的高强铅基材料

技术领域

本发明属于具有X、γ射线以及中子综合屏蔽效果的金属基(铅基)屏蔽材料及其制备方法，特别是高强度、轻质量、多种屏蔽效果的屏蔽材料及制备方法。

背景技术

随着化石能源的枯竭，核能作为一种清洁能源，其应用领域日趋扩大，对屏蔽材料的要求也愈来愈高，具有X、γ射线和中子辐射综合屏蔽材料一直是核安全领域的重要课题。

现有的X、γ射线和中子综合屏蔽材料主要有铅硼聚乙烯、B₄C/Pb复合材料、含铅硼混凝土以及含硼不锈钢。在铅硼聚乙烯复合材料中，由于聚乙烯属于高分子材料，软化温度为130℃，导致铅硼聚乙烯复合材料的力学强度和耐热性差，其抗拉强度为10MPa左右，布氏硬度仅为3～4，严重制约了其应用；B₄C/Pb复合材料是将Pb-X(X＝Sb、Sn、Ag、Au、Cr等)合金与B₄C增强体通过粉末冶金或熔铸成型法复合而成，可作为吸收中子、遮挡X、γ射线的材料，但强度和塑性较低，其抗拉强度为48.2MPa，布氏硬度为22.13，导致其不能单独作为结构材料使用，而且难以制备出大尺寸的复合材料；含铅硼混凝土重量大，可移动性较差，成分复杂；含硼不锈钢对γ射线及中子的屏蔽性能比铁优越，但由于硼含量偏低，中子吸收效果不理想，不得不增加含硼不锈钢的厚度，导致屏蔽***总重增加，而提高硼含量对含硼不锈钢合金的延展性和冲击抗力有不利影响，限制了含硼不锈钢用作乏燃料储存和运输设备的结构材料，此外，不锈钢中的铬，镍，锰等元素，受中子辐照后活化，反应堆停堆后须限制人员接近。

尽管有各种射线和中子综合屏蔽材料，但都离不开硼与铅两基本元素。硼具有优越的屏蔽中子的特性。铅对X、β、γ射线的吸收和散射最为强烈，既能屏蔽掉一次和二次γ射线，也不会成为第二次放射源。二者结合是最理想的核辐射屏蔽材料。因此，将硼或硼化物与铅复合，开发出具有多重屏蔽效果、质量轻、高强度特点的X、γ射线和中子综合屏蔽材料，提高屏蔽材料的力学性能和屏蔽性能，不仅是核安全领域的重要研究课题，同时也是推广核能应用的重要保障。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种具有射线及中子综合屏蔽效果的高强铅基材料及其制备方法，可使屏蔽材料的力学与屏蔽性能更高、加工生产更方便、制造成本更低廉。

解决本发明的技术问题所采取的技术方案是：屏蔽材料由PbMgAl铅基合金与硼或硼化物组成。

所述的屏蔽材料组成组分的质量百分比为：硼或硼化物0.3％～10％，其余为铅基合金。

所述的PbMgAl铅基合金中各组分的质量百分比为Mg 10％～50％、Al2％～20％、余量为Pb。

本发明上述的具有射线及中子综合屏蔽效果的高强铅基材料的制备工艺为：先制备出PbMgAl铅基合金，最后添加硼或硼化物，使各个组元充分反应，以获得组织细密，结合良好的具有射线及中子综合屏蔽效果的高强铅基屏蔽材料。制备过程中，应保证各组元充分反应。

由于硼、铅两元素的物理和化学性质存在巨大差异，硼-铅属难混溶合金体系，很难将硼或硼化物均匀分布于铅中。首先将铅与镁、铝复合制备出PbMgAl铅基合金，利用Pb与Mg、Mg与Al生成的高强度金属化合物，提高铅基合金的强度；再添加硼或硼化物，利用Mg、Al与硼或硼化物的互容性，实现铅、硼的均质化，获得高强度铅-镁-铝-硼或硼化物铅基射线/中子屏蔽材料。

本发明的有益效果是：通过元素Mg、Al和硼或硼化物的加入，利用Pb与Mg、Mg与Al生成的高强金属化合物，获得高强度的铅-镁-铝-硼或硼化物铅基射线/中子屏蔽材料，其抗拉强度和硬度指标大大高于传统的铅合金以及Pb/B₄C复合材料和铅硼聚乙烯，分别达到120MPa和165HBS，延伸率为6.87％。同时具有X、γ射线和中子综合屏蔽效果，厚度为20mm的高强度铅-镁-铝-硼或硼化物铅基射线/中子屏蔽材料对能量为65KeV、118KeV和250KeV的X射线屏蔽率分别达到97.9％、99.22％和90.29％，有效地解决了能量介于40～88KeV之间“Pb的弱吸收区”问题；对γ射线的屏蔽率为49.75％(¹³⁷Cs源)和34.25％(⁶⁰Co源)；中子的屏蔽率高达92.73％；在Pb和B含量较现有屏蔽材料低的情况下，单位质量的Pb-B铅基射线/中子屏蔽复合材料屏蔽效果优于Pb/B₄C复合材料和含硼不锈钢，而与铅硼聚乙烯相当。实现铅-镁-铝-硼或硼化物铅基射线/中子屏蔽材料的屏蔽功能-力学结构一体化。在提高屏蔽性能的同时实现屏蔽设施的简化和轻量化。

附图说明

图1是本发明铅-镁-铝-硼铅基射线/中子屏蔽材料的微观组织扫描电镜图。

图2是本发明铅-镁-铝-硼化物铅基射线/中子屏蔽材料的微观组织扫描电镜图。

具体实施方式

实施例1：在熔炼炉中加入质量百分比为49％的Pb、39.2％的Mg和9.8％的Al，再添加2.0％的硼。此时整个屏蔽材料中PbMgAl铅基合金质量百分比为98％；B为2％；PbMgAl合金中各组成组分质量百分比为：Pb 50％、Mg 40％、Al 10％。搅拌2～5min，使各组元充分反应生成，静置2～3min。浇铸制备成高强度铅-镁-铝-硼铅基射线/中子屏蔽材料。测试效果如下：

①微观组织特征：经过对试样表面处理(打磨→抛光→腐蚀)后，采用扫描电镜(型号为XL30ESEM-TMP)观察分析试样的微观组织特征，如图1所示。测试表明：合金组织分布均匀，且含B相与含Pb相的界面结合状况良好。

②抗拉强度测试：制备成测试试样棒在拉伸力学试验机上进行抗拉强度测试，测试结果表明：高强度铅-镁-铝-硼铅基射线/中子屏蔽材料的抗拉强度达到120MPa，是Pb/B₄C复合材料和铅硼聚乙烯的3～12倍，见表1。延伸率为6.87％。

③布氏硬度测试：在HB-3000型布氏硬度计上测定屏蔽材料的布氏硬度，测试结果表明：高强度铅-镁-铝-硼铅基射线/中子屏蔽材料的布氏硬度为165，是Pb/B₄C复合材料和铅硼聚乙烯的8～40倍，见表1。

④屏蔽性能测试：利用MG452型X射线***进行X射线屏蔽性能检测，X射线能量分别为65keV、118keV和250keV。利用γ射线照射量标准装置进行γ射线屏蔽性能的测试，放射源为¹³⁷Cs(射线能量661KeV)和⁶⁰Co(射线能量1.25MeV)。中子屏蔽实验采用PTW-UNIDOS电离室型标准剂量仪和Am-Be中子源慢化实验装置检测。表2表明高强度铅-镁-铝-硼铅基射线/中子屏蔽材料对能量为65KeV、118KeV和250KeV的X射线屏蔽率分别达到97.9％、99.22％和90.29％，有效地解决了能量介于40～88KeV之间“Pb的弱吸收区”问题；对γ射线的屏蔽率为49.75％(¹³⁷Cs源)和34.25％(⁶⁰Co源)；中子的屏蔽率高达92.73％。表3说明，在Pb和B含量较现有屏蔽材料低的情况下，单位质量的铅-镁-铝-硼铅基射线/中子屏蔽材料屏蔽效果优于纯铅和Pb/B₄C复合材料，且与铅硼聚乙烯相当。

实施例2：在熔炼炉中加入质量百分比为50％的Pb、35％的Mg和10％的Al，再添加5.0％的硼化物。此时整个屏蔽材料中PbMgAl铅基合金质量百分比为95％；硼化物为5％；PbMgAl合金中各组成组分质量百分比为：Pb 52.6％、Mg 36.8％、Al 10.5％。搅拌2～5min，使各组元充分反应生成，静置2～3min。浇铸制备成高强度铅-镁-铝-硼化物铅基射线/中子屏蔽材料。测试效果如下：

①微观组织特征：经过对试样表面处理(打磨→抛光→腐蚀)后，采用扫描电镜(型号为XL30ESEM-TMP)观察分析试样的微观组织特征，如图2所示。测试表明：合金组织分布均匀，各相的界面结合状况良好。

②抗拉强度测试：制备成测试试样棒在拉伸力学试验机上进行抗拉强度测试，测试结果表明：高强度铅-镁-铝-硼化物铅基射线/中子屏蔽材料的抗拉强度达到105MPa，见表1。延伸率为3.19％。

③布氏硬度测试：在HB-3000型布氏硬度计上测定屏蔽材料的布氏硬度，测试结果表明：高强度铅-镁-铝-硼化物铅基射线/中子屏蔽材料的布氏硬度为140，见表1。

④屏蔽性能测试：利用MG452型X射线***进行X射线屏蔽性能检测，X射线能量分别为65keV、118keV和250keV。利用γ射线照射量标准装置进行γ射线屏蔽性能的测试，放射源为¹³⁷Cs(射线能量661KeV)和⁶⁰Co(射线能量1.25MeV)。中子屏蔽实验采用PTW-UNIDOS电离室型标准剂量仪和Am-Be中子源慢化实验装置检测。表2表明高强度铅-镁-铝-硼化物铅基射线/中子屏蔽材料对能量为65KeV、118KeV和250KeV的X射线屏蔽率分别达到97.86％、99.17％和89.47％，有效地解决了能量介于40～88KeV之间“Pb的弱吸收区”问题；对γ射线的屏蔽率为46.81％(137Cs源)和31.97％(60Co源)；中子的屏蔽率达89.5％。表3说明，在Pb和B含量较现有屏蔽材料低的情况下，单位质量的铅-镁-铝-硼化物铅基射线/中子屏蔽材料屏蔽效果优异。

表1为本发明屏蔽材料的抗拉强度与布氏硬度对比表。

表1

材料名称	抗拉强度(MPa)	布氏硬度	延伸率(％)
				铅-镁-铝-硼屏蔽材料	120	165	6.87
铅-镁-铝-硼化物屏蔽材料	105	140	3.19
				纯Pb	10～20	4～9	-
Pb-B聚乙烯	10	3～4	-
				Pb/B₄C复合材料	48.2	22.13	-

表2是厚度为20mm的本发明屏蔽材料的屏蔽性能表。

表2

表3为相同厚度的本发明屏蔽材料与纯铅、Pb/B₄C复合材料和铅硼聚乙烯屏蔽性能对比表。

表3

Claims

1.一种具有射线及中子综合屏蔽效果的高强铅基材料，其特征是：屏蔽材料由PbMgAl铅基合金与硼或硼化物组成。

2.按权利要求1所述的具有射线及中子综合屏蔽效果的高强铅基材料，其特征是：屏蔽材料组成组分的质量百分比为，硼或硼化物0.3%～10%，其余为铅基合金。

3.按权利要求2所述的具有射线及中子综合屏蔽效果的高强铅基材料，其特征是：PbMgAl铅基合金中各组分的质量百分比为Mg 10%～50%、Al 2%～20%、余量为Pb。