用于輻射防護材料結構一體化成型的增材制造應用技術

供稿人：萬坤，李滌塵，曹毅 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

核能作為安全、清潔、低碳的戰(zhàn)略能源，核能技術已經(jīng)在發(fā)電、供熱、醫(yī)療、航天和深海探索等領域具有極高的發(fā)展前景。然而，為實現(xiàn)核能的有效利用，進行高效的輻射防護成為現(xiàn)在亟需解決的關鍵技術問題。現(xiàn)有核能放射性物質的屏蔽技術存在著綜合屏蔽性能不佳、屏蔽材料復雜結構加工手段有限、屏蔽體積龐大等難題。在過往的研究中發(fā)現(xiàn)，復合屏蔽材料較傳統(tǒng)單質屏蔽材料相比，具有密度小、價格廉的特點，尤其是高分子復合材料經(jīng)過研究發(fā)展可以承受更強的輻射劑量，且可根據(jù)不同的輻射環(huán)境改變其組分比，以達到最優(yōu)的屏蔽效能，已經(jīng)逐漸成為防核輻射材料研究領域的熱點之一。同時，為實現(xiàn)復合材料在針對實現(xiàn)輻射防護的場景應用需求，如復雜的屏蔽結構、材料結構一體化能力、易加工能力，對輻射防護的制造工藝提出了更迫切需求。2020年，來自北卡羅來納州立大學的核工程技術系，使用了一種增材制造技術（紫外線光固化法）實現(xiàn)了輻射防護復合材料的制備及測試構件快速成型，為增材制造技術在核能防護領域的應用提供了一定技術經(jīng)驗。

圖1 紫外光固化法成型PMMA/Bi2O3輻射屏蔽測試構件過程

實驗團隊先后采用光學顯微鏡觀察了Bi2O3顆粒在PMMA基體的分散性，在五個γ能量源分別進行了伽馬屏蔽測試實驗。得到半值層厚度（HVL），用來評價屏蔽材料的屏蔽能力，最后采用微壓痕系統(tǒng)測量了努普硬度，觀察復合材料在添加劑含量升高后的硬度變化規(guī)律。

實驗證明，當γ能量達到1000kev時，PMMA/Bi2O3復合材料較PMMA具有更好的γ屏蔽能力。而且機械硬度隨著Bi2O3顆粒的加入而增加，最高Bi2O3添加含量44w%時，其努普硬度最高為0.55N/mm2。由此證明，快速UV固化方法在快速制備具有優(yōu)良機械性能和屏蔽性能的輻射屏蔽材料方面具有很大的潛力。

參考文獻：
Da C , Yang G , Bourham M , et al. Gamma radiation shielding properties of poly (methyl methacrylate) / Bi2O3 composites[J]. Nuclear Engineering and Technology, 2020.