用于多射線輻射防護(hù)輕質(zhì)復(fù)合材料成型的增材制造技術(shù)

供稿人：萬坤 李滌塵 曹毅 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　

隨著核能技術(shù)的迅速發(fā)展，核能作為安全、清潔、低碳、剛能量密度的戰(zhàn)略能源，已經(jīng)在發(fā)電、醫(yī)療、航空航天及海島極地等領(lǐng)域展現(xiàn)出較高的發(fā)展前景。然而，對于先后出現(xiàn)的美國三里島、前蘇聯(lián)切爾諾貝利和日本福島核電事故，人們對于核能在未來是否進(jìn)一步有較好的發(fā)展仍然秉承一個謹(jǐn)慎的態(tài)度，如何實(shí)現(xiàn)輻射防護(hù)安全是目前亟需解決的關(guān)鍵問題。過去常采用水泥、鉛板、聚乙烯等材料建設(shè)反應(yīng)堆屏蔽結(jié)構(gòu)來保護(hù)人們的安全，但傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)重且建設(shè)周期長成本高，難以滿足現(xiàn)在越來越多的先進(jìn)反應(yīng)堆的要求。而輻射屏蔽復(fù)合材料具有密度小、價格廉等特點(diǎn)，尤其是高性能聚合物復(fù)合材料被證明在實(shí)現(xiàn)較高的力學(xué)性能、耐熱特性的同時，可以承受更強(qiáng)的輻射劑量，具有較好的屏蔽能力。同時搭配該輕質(zhì)復(fù)合材料的增材制造技術(shù)，被認(rèn)為是有望實(shí)現(xiàn)負(fù)責(zé)的屏蔽結(jié)構(gòu)、一體化、易加工能力的有效方法。2021年，來自洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)，使用了油墨直寫（DIW）增材制造技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)了多射線屏蔽材料在聚合物樹脂當(dāng)中的高含量填充和一體式成型，被認(rèn)為是一項(xiàng)優(yōu)秀的柔性制造的輻射屏蔽應(yīng)用范例。

圖1 油墨直寫（DIW）高含量填充的多射線屏蔽材料網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)采用了一種較新的DIW油墨，它不僅具備良好的抗輻照能力，而且可以較容易地改性并且實(shí)現(xiàn)高含量的輻射屏蔽材料填充。實(shí)驗(yàn)中，采用了油墨采用了二苯基聚硅氧烷以及40%金屬Bi材料和60%10B粉組成。該團(tuán)隊(duì)將其分別暴露于中子輻射和伽馬輻射當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)輻射暴露后的結(jié)構(gòu)樣件的交聯(lián)密度和力學(xué)性能僅發(fā)生了輕微的變化。更重要的是，填充了多射線吸收劑的DIW成型樣本較未填充樣本（比如常見的商用聚硅油基DIW樹脂，SE1700）展現(xiàn)出更強(qiáng)的抗輻射能力，比如在較寬的中子能量范圍內(nèi)展現(xiàn)出優(yōu)異的中子屏蔽性能。采用DIW制造方法是實(shí)現(xiàn)較高添加含量的柔性屏蔽體的應(yīng)用首例，被證明是作為未來不僅在快速成型以及在長期輻照下的機(jī)械性能和屏蔽性能方面，是具備極高的發(fā)展?jié)摿Α?br />
參考文獻(xiàn)：
Sjta B , Tr B , Aml A , et al. Flexible 3D printed silicones for gamma and neutron radiation shielding[J]. Radiation Physics and Chemistry, 188.