一种用于中子辐射屏蔽的超材料及其制备方法与流程

本发明涉及核辐射屏蔽材料领域，尤其涉及一种用于中子辐射屏蔽的超材料及其制备方法。

背景技术：

1、当今辐射屏蔽材料的研究主要集中在富硼化合物、铅系、水、聚合物、不锈钢、硼钢及其他重金属元素。根据实际防护的特点，各类屏蔽材料应用于不同的防护部位。但随着核领域的不断发展，对于屏蔽材料的功能特性要求愈发广泛，但现在屏蔽材料在屏蔽功能、结构性能、热稳定性等方面存在着难以兼顾的问题。辐射防护对屏蔽材料的综合物理性能要求越来越高，屏蔽材料的优化设计、结构功能一体化要求越来越高，尤其是对于快堆和移动式反应堆的屏蔽而言，单位材料的屏蔽效率及体积、重量是一个值得慎重考虑的问题。

2、传统的核屏蔽材料主要是利用厚重的铅、钢等材料进行屏蔽，虽然能够有效吸收辐射，但存在着重量大、体积大的缺点，对于一些特殊场合或需要移动的设备来说，这种传统材料显然无法满足要求。因此，如何在提高屏蔽效果的同时实现轻量化成为了当前研究的重点之一。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于中子辐射屏蔽的超材料及其制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种用于中子辐射屏蔽的超材料，所述的中子辐射屏蔽的超材料其内部含有多个金属粉末体结构，金属粉末体为致密体或由腔限制的粉末填充体；

4、所述金属粉末体的形状为球形或多面体，所述多面体包括中心多边形和两个端部多边形，所述中心多边形位于两个所述端部多边形之间，所述端部多边形的形状与所述中心多边形一致，所述端部多边形面积小于所述中心多边形的面积，所述端部多边形与所述中心多边形通过梯形连接周面封闭；

5、多个所述多面体通过所述梯形连接周面对应平行的方式分布，相互平行的两个梯形连接周面之间形成矩形平行消能区和两个三角反射区，每个所述多面体至少具有一个所述矩形平行消能区和两个所述三角反射区。

6、作为本发明再进一步的方案：所述的金属粉末体的排列方式包括面型立方排列、体心立方排列、梯度排列、中性轴排列，但不仅限于这些方式。

7、一种中子辐射屏蔽的超材料的制备方法，其中，包括步骤：

8、步骤1，第一物料选取alsi10mg粉末或316l粉末，第二物料选取b4c粉末，作为金属粉末体超材料的基础材料；

9、步骤2a，利用行星式球磨机，将alsi10mg粉末和b4c粉末按比例配制的粉末进行充分混合，作为用于lpbf成形金属粉末体超材料的原材料，所述的b4c粉末重量占混合粉末的1%~30%，其余全为alsi10mg粉末；

10、步骤2b，利用行星式球磨机，将316l粉末和b4c粉末按比例配制的粉末进行充分混合，作为用于lpbf成形金属粉末体超材料的原材料，b4c粉末重量占混合粉末的0.01%~1%，其余全为316l粉末；

11、步骤3，通过蒙特卡洛方法模拟所述端部多边形和所述梯形连接周面的不同边数下、相邻的两个所述梯形连接周面不同的平行间距下、不同的入射角度下中子吸收效果，优化金属粉末体形态及排列方式；

12、步骤4，将设计好的三维模型导入lpbf设备，然后进行金属粉末体超材料制备。

13、更进一步地，在步骤1中，所述的alsi10mg粉末或316l粉末和b4c粉末的粒度范围在15~53μm。

14、更进一步地，步骤中2a和步骤2b中，所述混合粉末通过行星式球磨机进行制备，包括以下步骤：

15、步骤2.1，将行星式球磨机放在平整开阔的位置，保持仪器平衡，打开仪器空转试运行几分钟，观察仪表显示是否有问题，并判断仪器内部是否有异响；

16、步骤2.2，检查完毕后，拔出插销开关，将仪器断电，并根据配制比例称取alsi10mg粉末或316l粉末、b4c粉末；

17、步骤2.3，将称重配制好的样品和研磨介质放入球磨罐中，预留研磨空间为球磨罐容积的三分之一；

18、步骤2.4，打开仪器箱盖，通过快速卡紧装置将球磨罐进行固定，后关闭箱盖；

19、步骤2.5，仪器通电，打开开关，设定研磨时间和转速；

20、步骤2.6，研磨完成后，关闭仪器，静置几分钟，待球磨罐降温后取下罐体，然后筛分提取混合粉末。

21、更进一步地，在步骤3中，利用蒙特卡罗方法模拟不同因素下的金属粉末体超材料的中子吸收效果，根据实际功能需要选择合适的金属粉末材质。

22、更进一步地，在步骤4中，lpbf成形金属粉末体超材料包括以下步骤：

23、步骤4.1，lpbf成形前将混合后的粉末，放入真空箱，进行120℃，4h的烘干，去除粉末中的水分；

24、步骤4.2，将设计好的金属粉末体超材料三维模型进行切片，工艺设置等前处理操作，并输出加工文件；

25、步骤4.3，将清洗干净的金属基板安装于成形仓并调平，将烘干后的粉末装入粉仓，关闭加工仓门，导入加工文件，设置加工参数，充入保护气体，开始加工；

26、步骤4.4，加工完成，取出金属粉末体超材料，进行切割、喷砂、清洗等操作；

27、其中，铺粉厚度为0.03mm，激光功率为220w，扫描速度为1200mm/s，光斑直径为75μm，成形仓氧气含量为0.1%。

28、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

29、该中子辐射屏蔽超材料含有金属粉末体，腔体中滞留的金属粉末颗粒具有“小尺寸”效应，增加了材料的比表面积，使得中子在材料中的碰撞概率增加，增加材料的辐射屏蔽特性。同时，由于屏蔽材料中含有若干粉末腔体，这使得屏蔽材料的相对密度降低，实现材料的轻量化，此时屏蔽效果最佳。屏蔽材料中结构、尺寸、排列方式可设计的金属粉末致密体结构，具备了矩形平行消能区，在相同厚度、更小的质量下，依然具有优异的屏蔽效果。实现超材料的结构-功能一体化。本发明提供的制备方法成形精度高、材料利用率高、可成形复杂结构，保证了中子辐射屏蔽超材料制备的可行性。该发明为快堆和移动式反应堆的辐射屏蔽提供新的可能。

技术特征：

1.一种用于中子辐射屏蔽的超材料，其特征在于，所述的中子辐射屏蔽的超材料其内部含有多个金属粉末体结构，金属粉末体为金属粉末致密体或由腔限制的粉末填充体；

2.一种用于中子辐射屏蔽的超材料的制备方法，其特征在于，用于制造权利要求1所述的超材料；所述的中子辐射屏蔽的超材料制备方法，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述一种用于中子辐射屏蔽的超材料的制备方法，其特征在于，在步骤1中，所述的alsi10mg粉末或316l粉末和b4c粉末的粒度范围在15~53μm。

4.根据权利要求2所述一种用于中子辐射屏蔽的超材料的制备方法，其特征在于，在步骤中2a和步骤2b中，所述混合粉末通过行星式球磨机进行制备，包括以下步骤：

5.根据权利要求2所述一种用于中子辐射屏蔽的超材料的制备方法，其特征在于，在步骤3中，利用蒙特卡罗方法模拟不同因素下的金属粉末体超材料的中子吸收效果，根据实际功能需要选择金属粉末材质。

6.根据权利要求2所述一种用于中子辐射屏蔽的超材料的制备方法，其特征在于，在步骤3中，所述的金属粉末体的排列方式包括但不限于面型立方排列、体心立方排列、梯度排列、中性轴排列。

7.根据权利要求2所述一种用于中子辐射屏蔽的超材料的制备方法，其特征在于，在步骤4中铺粉厚度为0.03mm，激光功率为220w，扫描速度为1200mm/s，光斑直径为75μm，成形仓氧气含量为0.1%，lpbf成形金属粉末体超材料包括以下步骤：

技术总结本发明属于核辐射屏蔽材料技术领域，公开了一种用于中子辐射屏蔽的超材料及其制备方法，所述的中子辐射屏蔽的超材料其内部含有多个金属粉末体结构，金属粉末体为致密体或由腔限制的粉末填充体，所述金属粉末体的形状为球形或多面体，所述多面体包括中心多边形和两个端部多边形，所述中心多边形位于两个所述端部多边形之间，相互平行的两个梯形连接周面之间形成矩形平行消能区和两个三角反射区；腔体中滞留的金属粉末颗粒具有“小尺寸”效应，增加了材料的比表面积，使得中子在材料中的碰撞概率增加，增加材料的辐射屏蔽特性。实现材料的轻量化，本发明提供的制备方法成形精度高、材料利用率高、可成形复杂结构。技术研发人员：王延臣,姜风春,果春焕,李渐亮,赵天明,蔡明慧,王莹受保护的技术使用者：烟台核电智能技术研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/11