TW202229207A - 中子減速材料及其製作方法 - Google Patents

Abstract

本發明有關於一種中子減速材料及其製作方法。此製作方法係利用金屬氟化物粉體、氟化鋰粉體與金屬鋁粉體來製作中子減速材料，並藉由多階段之乾式混粉製程來形成複合粉體。然後，對複合粉體進行熱壓製程，以形成中子減速材料。所製得之中子減速材料具有細緻且均勻之組織與較高之相對密度，而可應用於硼中子捕獲治療設備中。

Description

中子減速材料及其製作方法

本發明係有關一種複合材料，特別是提供一種中子減速材料及其製作方法。

標靶放射線治療係常用之癌症治療手段，其中標靶放射線治療主要係利用硼中子捕獲治療(Boron Neutron Capture Therapy；BNCT)的機制來進行。BNCT之原理主要係先將親癌細胞的含硼藥物注入癌症患者之身體內，以藉由血液循環與癌細胞結合。當癌細胞位置聚集濃度足夠高的含硼藥物時，從原子爐或加速器型的中子束源產生器射出能量適當的熱中子束，並照射在腫瘤部位。由於熱中子會與含硼藥物產生核反應，而***為具有高生物破壞能力之輻射性粒子，因此可破壞癌細胞的DNA結構。由於此些輻射性粒子的射程不超過單一癌細胞的直徑範圍，故在破壞癌細胞之DNA結構時，輻射性粒子對正常細胞的傷害可被降到最低。據此，癌細胞附近的正常細胞組織可被保護。

適合BNCT的中子能量為1 eV至10 keV，故中子束源產生器所產生的高能中子射線可透過減速材料(moderator materials)進行減速，並降低其能量。一般係採用金屬氟化物-鋁-氟化鋰複合材料作為熱中子減速材料，其中金屬鋁的含量為20體積百分比至50體積百分比，氟化鋰含量小於2體積百分比，而其他則為金屬氟化物。一個先前技術提出一種BNCT熱中子減速材料，其組成為氟化鋁-鋁-氟化鋰，且氟化鋰的含量為1體積百分比。此先前技術係採用熱均壓製程(Hot Isostatic Pressing；HIP)來製作此複合材料。然而，此先前技術並未明確揭示如何將含量極少的氟化鋰陶瓷粉體均勻地分散在複合材料中，且其並未明確揭示如何利用熱均壓製程來製作中子減速材料。另外，熱均壓製程一般須先將粉體填充至金屬容器中，並進行真空封罐(canning)。然後，將封罐的金屬容器放入熱均壓設備中，利用氣體作為壓力介質，以對金屬容器進行等向加壓，藉此完成複合材料的成型及緻密化。由於熱均壓製程受到金屬容器拘束力的影響，其得料率一般僅65%至80%，故具有較高之製造成本。

有鑑於此，亟須提供一種中子減速材料及其製作方法，以改進習知中子減速材料之製作方法具有低得料率的缺陷。

因此，本發明之一態樣是在提供一種中子減速材料的製作方法，其藉由多階段之乾式混粉製程來混合粉體材料，並以熱壓製程緻密化複合粉體，而可製得組織均勻且緻密的中子減速材料。

本發明之另一態樣是在提供一種中子減速材料，其係利用前述之製作方法所製得。

根據本發明之一態樣，提出一種中子減速材料的製作方法。此製作方法係先提供金屬氟化物粉體、氟化鋰粉體與金屬鋁粉體。其中，金屬氟化物粉體不包含氟化鋰。基於中子減速材料為100體積百分比，金屬鋁粉體之用量為20體積百分比至50體積百分比，氟化鋰粉體之用量為0.5體積百分比至2體積百分比，且餘量為金屬氟化物粉體。然後，對氟化鋰粉體與一部分之金屬鋁粉體進行第一乾式混粉製程，以形成金屬鋁-氟化鋁複合粉體。接著，對金屬氟化物粉體、剩餘之金屬鋁粉體與前述之金屬鋁-氟化鋁複合粉體進行第二乾式混粉製程，以形成金屬氟化物-金屬鋁-氟化鋁複合粉體。之後，對金屬氟化物-金屬鋁-氟化鋁複合粉體進行熱壓製程，即可形成中子減速材料。

依據本發明之一些實施例，前述之金屬氟化物粉體包含氟化鎂、氟化鋁及/或氟化鈣。

依據本發明之一些實施例，前述氟化鋰粉體之平均粒徑為1 μm至3 μm。

依據本發明之一些實施例，前述金屬鋁粉體之平均粒徑為5 μm至15 μm。

依據本發明之一些實施例，前述金屬氟化物粉體、氟化鋰粉體與金屬鋁粉體之純度均大於99%。

依據本發明之一些實施例，於進行前述之第一乾式混粉製程時，氟化鋰粉體與部分之金屬鋁粉體的體積比值為0.05至0.1。

依據本發明之一些實施例，前述第一乾式混粉製程之混合時間為0.5小時至1小時，而第二乾式混粉製程之混合時間為0.5小時至1小時。

依據本發明之一些實施例，前述熱壓製程之溫度為550℃至620℃，而熱壓製程之壓力為5 MPa至55 MPa。

依據本發明之一些實施例，前述熱壓製程之時間為1小時至6小時。

根據本發明之另一態樣，提出一種中子減速材料，其係藉由前述之製作方法所製得。其中，中子減速材料之相對密度不小於99.5%，且中子減速材料中最大顆粒的粒徑係不大於500 μm。

應用本發明中子減速材料及其製作方法，其係多階段地混合金屬氟化物粉體、氟化鋰粉體與金屬鋁粉體，而使氟化鋰粉體均勻地嵌埋於金屬鋁粉體之表面，進而可製得具有均勻組織之複合粉體。其次，藉由熱壓製程之緻密化，所成型之中子減速材料可具有緻密之組織結構，而可滿足中子捕獲設備的應用需求。另外，本發明係藉由乾式混粉製程來混合粉體材料，故不須使用有機溶劑等混合載體，故可降低材料之製作成本，並達到環保減廢之要求。

以下仔細討論本發明實施例之製造和使用。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的發明概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論之特定實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。

請參照圖1，其係繪示依照本發明之一些實施例之中子減速材料的製作方法之流程示意圖。於方法100中，先提供金屬氟化物粉體、氟化鋰粉體與金屬鋁粉體，並對氟化鋰粉體與部分之金屬鋁粉體進行第一乾式混粉製程，以製得金屬鋁-氟化鋰複合粉體，如操作110與操作120所示。金屬氟化物粉體不包含氟化鋰。在一些實施例中，金屬氟化物粉體可包含氟化鎂、氟化鋁、氟化鈣、其他適當之金屬氟化物，或者前述材料之任意混合。在其他實施例中，為了提升所製得中子減速材料之性質，金屬氟化物粉體、氟化鋰粉體與金屬鋁粉體之純度均大於99%。

基於後續所製得之中子減速材料為100體積百分比，金屬鋁粉體之用量可為20體積百分比至50體積百分比，氟化鋰粉體之用量為0.5體積百分比至2體積百分比，且其餘量為金屬氟化物粉體。當金屬鋁粉體、氟化鋰粉體與金屬氟化物粉體之用量不為前述之範圍時，後續所製得之複合材料無法滿足中子減速材料之應用需求。

於進行第一乾式混粉製程時，氟化鋰粉體與部分之金屬鋁粉體可採用本發明所屬技術領域常用之技術手段或設備來混合，故在此不另贅述。其中，由於氟化鋰粉體之硬度係高於金屬鋁粉體的硬度，故於第一乾式混粉製程所形成之金屬鋁-氟化鋰複合粉體中，氟化鋰之陶瓷粉體係嵌埋於金屬鋁粉體之表面。在一些實施例中，為了提升第一乾式混粉製程之混合嵌埋效果，金屬鋁粉體之平均粒徑較佳係大於氟化鋰粉體的平均粒徑。在一些具體例中，氟化鋰粉體之平均粒徑可為1 μm至3 μm，而金屬鋁粉體之平均粒徑為5 μm至15 μm。當氟化鋰與/或金屬鋁粉體之平均粒徑為前述之範圍時，氟化鋰粉體可更均勻地嵌埋於金屬鋁粉體之表面，而有助於提升所製得中子減速材料的性質。

於進行第一乾式混粉製程時，氟化鋰粉體與部分之金屬鋁粉體的體積比值可為0.05至0.1。當氟化鋰粉體與金屬鋁粉體之體積比值為前述之範圍時，氟化鋰粉體可更均勻地嵌埋於金屬鋁粉體之表面，而有助於提升所製得中子減速材料的性質。其次，為了提升氟化鋰粉體與金屬鋁粉體之混合均勻性，第一乾式混粉製程混合時間可為0.5小時至1小時。

於進行操作120後，將所形成之金屬鋁-氟化鋰複合粉體，以及金屬氟化物粉體與剩餘之金屬鋁粉體添加至混粉設備中，以進行第二乾式混粉製程，而可形成金屬氟化物-金屬鋁-氟化鋁複合粉體，如操作130所示。在一些實施例中，操作120與操作130可於相同之混粉設備中進行，故於進行操作120後，金屬氟化物粉體與剩餘之金屬鋁粉體可直接添加至混粉設備中。惟本發明並不以此為限，在其他實施例中，操作120與操作130亦可於不同之混粉設備中進行。相同地，第二乾式混粉製程可採用本發明所屬技術領域常用之技術手段或設備來混合，故在此不另贅述。在一些實施例中，第二乾式混粉製程之混合時間可為0.5小時至1小時。

前述之第一乾式混粉製程與第二乾式混粉製程的進行均不額外添加有機溶劑或其他具有相似功效之載體，故本發明之第一乾式混粉製程與第二乾式混粉製程可減少溶劑之使用，而達到環保減廢之要求。

於進行操作130後，對所形成之金屬氟化物-金屬鋁-氟化鋁複合粉體進行熱壓製程，以製得本發明之中子減速材料，如操作140與操作150所示。於進行熱壓製程時，金屬氟化物-金屬鋁-氟化鋁複合粉體可於高溫高壓下被成型並緻密化，而使所製得之中子減速材料具有不小於99.5%的相對密度，且於中子減速材料中，最大顆粒之粒徑係不大於500 μm。故，本案所製得之中子減速材料具有細緻且均勻之組織，而可滿足應用之需求。

在一些實施例中，熱壓製程之溫度可為550℃至620℃，而壓力可為5 MPa至55 MPa。當熱壓製程之溫度與壓力為前述之範圍時，金屬氟化物-金屬鋁-氟化鋁複合粉體可較有效地被緻密化，而形成可滿足應用需求之中子減速材料。在此些實施例中，熱壓製程之時間可為1小時至6小時。當熱壓製程之時間為此範圍時，熱壓製程對於金屬氟化物-金屬鋁-氟化鋁複合粉體可具有更佳之緻密化效果，而有助於提升所製得中子減速材料之性質。

其次，經熱壓製程後，本發明所製得之中子減速材料的得料率不小於95%，故本發明之製作方法可有效地製得中子減速材料，而可降低其製作成本。

在一些應用例中，本發明經熱壓製程所製得之中子減速材料具有特定之組成，且具有緻密均勻的組織，故可作為硼中子捕獲治療設備之中子減速材料。

以下利用實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。

實施例1

首先，提供58.5體積百分比之氟化鎂、40體積百分比之金屬鋁與1.5體積百分比之氟化鋰，且氟化鎂、金屬鋁與氟化鋰之純度均大於99.5%，其中金屬鋁之平均粒徑為5 μm，而氟化鋰之平均粒徑為1 μm。然後，將1.5體積百分比之氟化鋰與15體積百分比之金屬鋁放入高效混合設備中，以進行第一乾式混粉製程，以形成金屬鋁-氟化鋰複合粉體。其中，第一乾式混粉製程之時間為30分鐘。

於進行第一乾式混粉製程後，將25體積百分比之金屬鋁與58.5體積百分比之氟化鎂添加至高效混合設備中，以與金屬鋁-氟化鋰複合粉體進行第二乾式混粉製程，而形成氟化鎂-金屬鋁-氟化鋰複合粉體。其中，第一乾式混粉製程之時間為60分鐘。

接著，將所形成之氟化鎂-金屬鋁-氟化鋰複合粉體倒入石墨熱壓模具中，並於550℃下，以50 MPa之壓力進行熱壓製程。經熱壓成型與緻密化6小時後，即可製得實施例1之氟化鎂-金屬鋁-氟化鋰複合材料(即中子減速材料)，其組成為58.5%氟化鎂-40%金屬鋁-1.5氟化鋰%，並以電子顯微鏡觀察實施例1之中子減速材料的顯微組織(如圖2A所示)。實施例1之中子減速材料的得料率為96%。

實施例2

首先，提供69體積百分比之氟化鋁、30體積百分比之金屬鋁與1體積百分比之氟化鋰，且氟化鋁、金屬鋁與氟化鋰之純度均大於99.5%，其中金屬鋁之平均粒徑為10 μm，而氟化鋰之平均粒徑為2 μm。然後，將1體積百分比之氟化鋰與20體積百分比之金屬鋁放入高效混合設備中，以進行第一乾式混粉製程，以形成金屬鋁-氟化鋰複合粉體。其中，第一乾式混粉製程之時間為45分鐘。

於進行第一乾式混粉製程後，將10體積百分比之金屬鋁與69體積百分比之氟化鋁添加至高效混合設備中，以與金屬鋁-氟化鋰複合粉體進行第二乾式混粉製程，而形成氟化鋁-金屬鋁-氟化鋰複合粉體。其中，第一乾式混粉製程之時間為45分鐘。

接著，將所形成之氟化鋁-金屬鋁-氟化鋰複合粉體倒入石墨熱壓模具中，並於620℃下，以5 MPa之壓力進行熱壓製程。經熱壓成型與緻密化3小時後，即可製得實施例2之氟化鋁-金屬鋁-氟化鋰複合材料(即中子減速材料)，其組成為69%氟化鋁-30%金屬鋁-1氟化鋰%，並以電子顯微鏡觀察實施例2之中子減速材料的顯微組織(如圖2B所示)。實施例2之中子減速材料的得料率為99.9%。

請參照圖2A與圖2B。實施例1與實施例2所製得之中子減速材料均具有緻密且均勻之組織，故可應用於中子捕獲設備。其中，實施例1之中子減速材料的相對密度為99.6%，且其中最大顆粒組織的粒徑係小於250 μm，而實施例2之中子減速材料的相對密度為99.9%，且其最大顆粒組織的粒徑係小於150 μm。

據此，藉由本發明中子減速材料及其製作方法，其係分階段地混合金屬氟化物粉體、氟化鋰粉體與金屬鋁粉體，而可有效地將氟化鋰粉體嵌埋於金屬鋁粉體之表面，進而可有助於提升所製得中子減速材料的性質。其中，藉由分階段進行的乾式混粉製程，金屬氟化物粉體、氟化鋰粉體與金屬鋁粉體可均勻地混合，而有助於提升中子減速材料的品質，並可提升其得料率。另外，由於本發明之混粉製程不須額外添加有機溶劑或其他液態載體，故可達到環保減廢之要求，並可降低製作成本。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100:方法 110,120,130,140,150:操作

為了對本發明之實施例及其優點有更完整之理解，現請參照以下之說明並配合相應之圖式。必須強調的是，各種特徵並非依比例描繪且僅係為了圖解目的。相關圖式內容說明如下。 圖1係繪示依照本發明之一些實施例之中子減速材料的製作方法之流程示意圖。 圖2A與圖2B分別係顯示本發明之實施例1與實施例2之中子減速材料的電子顯微鏡照片。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

100:方法

110,120,130,140,150:操作

Claims (10)

1. 一種中子減速材料的製作方法，包含： 提供一金屬氟化物粉體、氟化鋰粉體與一金屬鋁粉體，其中該金屬氟化物粉體不包含氟化鋰，基於該中子減速材料為100體積百分比，該金屬鋁粉體之一用量為20體積百分比至50體積百分比，該氟化鋰粉體之一用量為0.5體積百分比至2體積百分比，且餘量為該金屬氟化物粉體； 對該氟化鋰粉體與一部分之該金屬鋁粉體進行一第一乾式混粉製程，以形成一金屬鋁-氟化鋁複合粉體； 對該金屬氟化物粉體、剩餘之該金屬鋁粉體與該金屬鋁-氟化鋁複合粉體進行一第二乾式混粉製程，以形成一金屬氟化物-金屬鋁-氟化鋁複合粉體；以及 對該金屬氟化物-金屬鋁-氟化鋁複合粉體進行一熱壓製程，以形成該中子減速材料。
2. 如請求項1所述之中子減速材料的製作方法，其中該金屬氟化物粉體包含氟化鎂、氟化鋁及/或氟化鈣。
3. 如請求項1所述之中子減速材料的製作方法，其中該氟化鋰粉體之一平均粒徑為1 μm至3 μm。
4. 如請求項1所述之中子減速材料的製作方法，其中該金屬鋁粉體之一平均粒徑為5 μm至15 μm。
5. 如請求項1所述之中子減速材料的製作方法，其中該金屬氟化物粉體、該氟化鋰粉體與該金屬鋁粉體之純度均大於99%。
6. 如請求項1所述之中子減速材料的製作方法，其中於進行該第一乾式混粉製程時，該氟化鋰粉體與該部分之該金屬鋁粉體之體積比值為0.05至0.1。
7. 如請求項1所述之中子減速材料的製作方法，其中該第一乾式混粉製程之一混合時間為0.5小時至1小時，而該第二乾式混粉製程之一混合時間為0.5小時至1小時。
8. 如請求項1所述之中子減速材料的製作方法，其中該熱壓製程之一溫度為550℃至620℃，而該熱壓製程之一壓力為5 MPa至55 MPa。
9. 如請求項8所述之中子減速材料的製作方法，其中該熱壓製程之一時間為1小時至6小時。
10. 一種中子減速材料，藉由如請求項1至9中之任一項所述之製作方法所製得，其中該中子減速材料之一相對密度不小於99.5%，且該中子減速材料中之最大顆粒的一粒徑不大於500 μm。

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