用于辐射防护材料结构一体化成型的增材制造应用技术

供稿人：万坤，李涤尘，曹毅 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

核能作为安全、清洁、低碳的战略能源，核能技术已经在发电、供热、医疗、航天和深海探索等领域具有极高的发展前景。然而，为实现核能的有效利用，进行高效的辐射防护成为现在亟需解决的关键技术问题。现有核能放射性物质的屏蔽技术存在着综合屏蔽性能不佳、屏蔽材料复杂结构加工手段有限、屏蔽体积庞大等难题。在过往的研究中发现，复合屏蔽材料较传统单质屏蔽材料相比，具有密度小、价格廉的特点，尤其是高分子复合材料经过研究发展可以承受更强的辐射剂量，且可根据不同的辐射环境改变其组分比，以达到最优的屏蔽效能，已经逐渐成为防核辐射材料研究领域的热点之一。同时，为实现复合材料在针对实现辐射防护的场景应用需求，如复杂的屏蔽结构、材料结构一体化能力、易加工能力，对辐射防护的制造工艺提出了更迫切需求。2020年，来自北卡罗来纳州立大学的核工程技术系，使用了一种增材制造技术（紫外线光固化法）实现了辐射防护复合材料的制备及测试构件快速成型，为增材制造技术在核能防护领域的应用提供了一定技术经验。

图1 紫外光固化法成型PMMA/Bi2O3辐射屏蔽测试构件过程

实验团队先后采用光学显微镜观察了Bi2O3颗粒在PMMA基体的分散性，在五个γ能量源分别进行了伽马屏蔽测试实验。得到半值层厚度（HVL），用来评价屏蔽材料的屏蔽能力，最后采用微压痕系统测量了努普硬度，观察复合材料在添加剂含量升高后的硬度变化规律。

实验证明，当γ能量达到1000kev时，PMMA/Bi2O3复合材料较PMMA具有更好的γ屏蔽能力。而且机械硬度随着Bi2O3颗粒的加入而增加，最高Bi2O3添加含量44w%时，其努普硬度最高为0.55N/mm2。由此证明，快速UV固化方法在快速制备具有优良机械性能和屏蔽性能的辐射屏蔽材料方面具有很大的潜力。

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