CN107805777B

CN107805777B - 一种具有射线及中子综合屏蔽效果的钨硼层状材料

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Publication number: CN107805777B
Application number: CN201710847494.0A
Authority: CN
Inventors: 段永华; 李平
Original assignee: Kunming University of Science and Technology
Current assignee: Kunming University of Science and Technology
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2020-05-15
Anticipated expiration: 2037-09-19
Also published as: CN107805777A

Abstract

本发明公开一种具有射线及中子综合屏蔽效果的钨硼层状材料，属于屏蔽材料技术领域。该钨硼层状材料由钨或钨合金、渗硼层组成，其中渗硼层的厚度为38~45μm，硼以硼化物的形式存在于渗硼层中，钨合金为Ni、Cu、Nb、Co、Mo、Cr或C元素与钨元素组成的合金，其中钨质量百分比为85~99%。相比传统的钨及其合金材料，这种特殊的层状结构使钨硼复合材料对X射线，γ射线和中子均具有较为显著的屏蔽效果，同时具有强度高、硬度高、导电性好、耐腐蚀性优良等特点。

Description

一种具有射线及中子综合屏蔽效果的钨硼层状材料

技术领域

本发明涉及一种具有射线及中子综合屏蔽效果的钨硼层状材料，属于屏蔽材料技术领域。

背景技术

核科学和技术实业的发展给人类带来了巨大的利益，但随之也对人类及其赖以生存的环境带来直接或间接的辐射危害。反应堆是核能源***的核心部分，其中的核裂变会产生各种辐射射线如不同能级的中子、γ射线、二次γ射线、X射线及其他高能射线，对人体和环境造成破坏。为了防止或者减少辐射射线给人体和坏境带来的危害，要进行辐射防护，而辐射防护主要是依赖防辐射屏蔽材料的性能。防辐射屏蔽材料主要是对中子、X射线和γ射线等电离辐射有屏蔽作用的材料。目前应用最广的防辐射屏蔽材料是含有高原子序数铅（如铅、软铅、有机铅玻璃）和钡（如有机钡玻璃）的材料。

但是，随着核能源及各种核反应堆的发展，对防辐射屏蔽材料的要求越来越高。单一传统的屏蔽材料难以满足所有的防护要求，例如铅及其化合物有毒，且制备、使用和遗弃时会产生严重的环境污染，有机钡玻璃有具有表面硬度低、防辐射性能差等缺点。而现有的许多复合防辐射屏蔽材料又难以满足辐射防护对其他性能的综合要求，如力学性能、抗辐照性等。为了解决这些缺陷，提供一种具有力学强度，且对中子、X射线和γ射线等核辐射能进行有效防护的环境友好型屏蔽材料，是当前迫切需要解决的问题。

发明内容

针对现有核辐射屏蔽材料性能、应用范围不能兼顾的问题，本发明提供一种具有射线及中子综合屏蔽效果的钨硼层状材料，该钨硼层状材料具有力学强度，能够有效防护中子、X射线和γ射线等核辐射，对环境友好的特点；

一种具有射线及中子综合屏蔽效果的钨硼层状材料，由钨或钨合金、渗硼层组成，其中渗硼层的厚度为38~45μm；

所述钨合金为Ni、Cu、Nb、Co、Mo、Cr或C元素与钨元素组成的合金，其中钨质量百分比为85~99%；

本发明的钨硼层状材料通过渗硼法复合而成，所用渗硼剂包括供硼剂、还原剂和活化剂；

所述供硼剂为非定形硼粉、硼砂，所述还原剂为铝粉，所述活化剂为氯化钠或氯化钾。

本发明上述的具有射线及中子综合屏蔽效果的钨硼层状材料的制备工艺为：首先用洗油剂对试样表面进行清洗，然后砂纸打磨至2000^＃。渗硼剂包括供硼剂（非定形硼粉和硼砂）、还原剂（铝粉），为了增加熔融渗硼剂的流动性，加入的少量活化剂（氯化钠），将以上试剂按硼粉和硼砂、还原剂（铝粉）、活化剂（氯化钠）的质量比为1:6:1:1~ 1:7:1:1的比例放入球磨机中混合均匀，将切割好的钨或钨合金基体材料埋入渗硼剂中，密封于刚玉坩埚中，在温度为1000~1300℃的工艺条件下进行高温渗硼处理 10~15h；取出的渗硼试样，室温冷却后放入热水中去除表面残留的渗硼剂及其他杂质即得具有射线及中子综合屏蔽效果的层状材料。

本发明的有益效果是：在纯钨或钨合金基体上加入硼或硼化物，利用渗硼工艺加热处理，在提高力学性能的同时，获得钨硼层状射线及中子屏蔽材料。其对X射线，γ射线和中子均有较为显著的屏蔽效果，渗硼层的厚度为40~43μm的钨-硼层状射线及中子屏蔽材料（厚度为20mm）对能量为65KeV、118KeV和250KeV的X射线屏蔽率分别为98.46%、99.63%和90.25%，对γ射线的屏蔽率为49.55%（¹³⁷Cs源）和33.42%（⁶⁰Co源），中子的屏蔽率达91.36%；渗硼层的厚度为39~ 42μm的钨钴合金-硼层状射线及中子屏蔽材料（厚度为20mm）对能量为65KeV、118KeV和250KeV的X射线屏蔽率分别达到75.36%、78.42%和68.95%，对γ射线的屏蔽率为38.54%（¹³⁷Cs源）和22.35%（⁶⁰Co源），中子的屏蔽率达93.56%；本发明的钨硼层状材料还具有强度高、高硬度、导电性好、耐腐蚀性优良等特点。

附图说明

图1为实施例1钨-硼层状材料的表面形貌扫描电镜图；

图2为实施例1钨-硼层状材料的的显微组织扫描电镜图；

图3为实施例2钨钴合金-硼层状材料的表面形貌扫描电镜图；

图4为实施例2钨钴合金-硼层状材料的显微组织扫描电镜图。

具体实施方式

实施例1：本实施例的基体选用纯钨基体；

对纯钨基体进行预处理，处理流程为：表面除油、去离子水清洗、砂纸打磨、丙酮清洗、去离子水超声清洗、密封于无水乙醇中待用；把预处理的基体埋入渗硼剂（渗硼剂组成质量百分比为：硼砂70%、铝粉10%、氯化钠10%、硼粉10%），密封于刚玉坩埚中，放入箱式炉，在温度为1000℃的条件下高温渗硼处理15h，取出的渗硼试样，室温冷却后放入热水中去除表面残留的渗硼剂及其他杂质即得具有射线及中子综合屏蔽效果的钨硼层状材料；

微观组织特征：对本实施例的钨硼层状材料进行表面处理（打磨、抛光、腐蚀），采用扫描电镜观察分析试样的微观组织特征，如图1所示，合金组织分布均匀，各相的界面状况良好；

本实施例的钨硼层状材料的显微组织扫描电镜图如图2所示，渗硼层厚度为40~43μm；

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，测试结果如表1所示，从表1可知，钨-硼层状射线及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98.46%、99.63%和90.25%；对γ射线的屏蔽率为49.55%（¹³⁷Cs源）和33.42%（⁶⁰Co源）；中子的屏蔽率达91.36%。

实施例2：本实施例的基体选用YG3X的钨钴硬质合金基体；YG3X的钨钴硬质合金的组成成分为：WC质量百分数为97%，Co质量百分数为3%；

对牌号为YG3X的钨钴硬质合金基体进行预处理，处理流程为：表面除油、去离子水清洗、砂纸打磨、丙酮清洗、去离子水超声清洗、密封于无水乙醇中待用；把预处理的基体埋入渗硼剂（渗硼剂组成质量百分比为：硼砂70%、铝粉10%、氯化钠10%、硼粉10%），密封于刚玉坩埚中，放入箱式炉，在温度为1000℃的条件下高温渗硼处理10h，取出的渗硼试样，室温冷却后放入热水中去除表面残留的渗硼剂及其他杂质即得具有射线及中子综合屏蔽效果的钨硼层状材料；

微观组织特征：对本实施例的钨硼层状材料进行表面处理（打磨、抛光、腐蚀），采用扫描电镜观察分析试样的微观组织特征，如图3所示，合金组织分布均匀，各相的界面状况良好；

本实施例的钨硼层状材料的显微组织扫描电镜图如图4所示，渗硼层厚度为39~42μm；

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，测试结果如表1所示，从表1可知，钨钴合金-硼层状射线及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75.36%、78.42%和68.95%；对γ射线的屏蔽率为38.54%（¹³⁷Cs源）和22.35%（⁶⁰Co源）；中子的屏蔽率达93.56%。

实施例3：本实施例的基体选用YG15的钨钴硬质合金基体；YG15合金的组成成分为：WC质量百分数为85%，Co质量百分数为15%；

对牌号为YG15的钨钴硬质合金基体进行预处理，处理流程为：表面除油、去离子水清洗、砂纸打磨、丙酮清洗、去离子水超声清洗、密封于无水乙醇中待用；把预处理的基体埋入渗硼剂（渗硼剂组成质量百分比为：硼砂70%、铝粉10%、氯化钠10%、硼粉10%），密封于刚玉坩埚中，放入箱式炉，在温度为1000℃的条件下高温渗硼处理10h，取出的渗硼试样，室温冷却后放入热水中去除表面残留的渗硼剂及其他杂质即得具有射线及中子综合屏蔽效果的钨硼层状材料；

微观组织特征：对本实施例的钨硼层状材料进行表面处理（打磨、抛光、腐蚀），采用扫描电镜观察分析试样的微观组织特征，合金组织分布均匀，各相的界面状况良好；

用扫描电镜观察本实施例的钨硼层状材料的显微组织，渗硼层厚度为40~43μm；

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，测试结果如表1所示，从表1可知，钨钴合金-硼层状射线及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62.36%、64.42%和59.95%；对γ射线的屏蔽率为33.42%（¹³⁷Cs源）和19.39%（⁶⁰Co源）；中子的屏蔽率达88.63%。

实施例4：本实施例的基体选用YG6A合金基体；YG6A合金的组成成分为：WC质量百分数为92%，Co质量百分数为8%；

对牌号为YG6A的钨钴硬质合金基体进行预处理，处理流程为：表面除油、去离子水清洗、砂纸打磨、丙酮清洗、去离子水超声清洗、密封于无水乙醇中待用；把预处理的基体埋入渗硼剂（渗硼剂组成质量百分比为：硼砂70%、铝粉10%、氯化钠10%、硼粉10%），密封于刚玉坩埚中，放入箱式炉，在温度为1000℃的条件下高温渗硼处理10h，取出的渗硼试样，室温冷却后放入热水中去除表面残留的渗硼剂及其他杂质即得具有射线及中子综合屏蔽效果的钨硼层状材料；

用扫描电镜观察本实施例的钨硼层状材料的显微组织，渗硼层厚度为42~45μm；

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，测试结果如表1所示，

表1 厚度为20mm的钨硼层状材料的屏蔽性能表

从表1可知，钨钴合金-硼层状射线及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70.26%、72.64%和62.96%；对γ射线的屏蔽率为38.54%（¹³⁷Cs源）和20.89%（⁶⁰Co源）；中子的屏蔽率达90.44%。

Claims

1.一种具有射线及中子综合屏蔽效果的钨硼层状材料，其特征在于：该材料由钨或钨合金、渗硼层组成，其中渗硼层的厚度为38～45μm；其中钨合金为Ni、Cu、Nb、Co、Mo、Cr或C元素与钨元素组成的合金，其中钨质量百分比为85～99%；

所述钨硼层状材料的制备工艺为：

对纯钨或钨合金基体进行预处理，处理流程为：表面除油、去离子水清洗、砂纸打磨、丙酮清洗、去离子水超声清洗；渗硼剂包括供硼剂、还原剂、活化剂，将以上试剂按供硼剂、还原剂、活化剂的质量比为1:6:1:1～1:7:1:1的比例放入球磨机中混合均匀，将切割好的钨或钨合金基体材料埋入渗硼剂中，密封于刚玉坩埚中，在温度为1000～1300℃的工艺条件下进行高温渗硼处理10～15h；取出的渗硼试样，室温冷却后放入热水中去除表面残留的渗硼剂及其他杂质即得具有射线及中子综合屏蔽效果的层状材料，其中供硼剂为非定形硼粉和硼砂，还原剂为铝粉，活化剂为氯化钠。