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纳米Y2O3/环氧树脂复合材料辐射防护性能及正电子寿命研究

2022-06-27郑玉龙潘昕怡熊厚华曾正魁杜纪富陈志远

核技术 2022年6期
关键词:环氧树脂射线屏蔽

郑玉龙 潘昕怡 熊厚华 曾正魁 杜纪富 陈志远

纳米Y2O3/环氧树脂复合材料辐射防护性能及正电子寿命研究

郑玉龙 潘昕怡 熊厚华 曾正魁 杜纪富 陈志远

(湖北科技学院 核技术与化学生物学院 辐射化学与功能材料湖北省重点实验室 咸宁 437000)

传统的屏蔽X/γ射线材料一般为铅或含铅材料,存在有毒、质量重、不易成型、价格较高等缺点,而高分子复合材料被认为是未来能够有效防护核辐射的新型材料。环氧树脂(Epoxy Resin,EP)作为基材具有诸多优点,如耐腐蚀、力学性能好、耐磨性强、绝缘性优良及耐辐照性较强等,稀土材料对20~88 keV能区的X/γ射线有比较好的屏蔽效果,能够弥补铅的弱吸收区,同时可规避铅的毒性。为验证纳米稀土三氧化二钇/环氧树脂(Y2O3/EP)复合材料对X/γ射线的屏蔽性能,首先采用Y2O3填充到环氧树脂中制备了不同氧化钇含量的Y2O3/EP复合材料。然后利用正电子寿命谱、X射线衍射、扫描电镜研究了材料的微观结构,用热重分析仪及差示扫描量热仪测试了材料的热稳定性,用维氏硬度计及万能拉力机测试了材料的机械性能。最后利用蒙特卡罗程序对样品的辐射防护性能进行了模拟计算。研究结果表明:Y2O3填充到环氧树脂中可提升复合材料的热稳定性、硬度及杨氏模量,但明显降低了抗拉强度和断裂伸长率,建议Y2O3含量质量百分数不超过40%。在X/γ射线能量20~1 332 keV范围内,材料相同厚度时,40% Y2O3/EP复合材料的屏蔽效果为纯铅的2%~10%,相同质量时,40% Y2O3/EP复合材料的屏蔽效果为纯铅的15%~66%。虽然Y2O3/EP复合材料屏蔽效果较纯铅的差,但在X/γ射线低能区可满足屏蔽要求,具备替代铅或含铅材料作为辐射屏蔽材料的能力。

辐射防护,复合材料,屏蔽,稀土材料

随着核技术广泛应用于各领域,人们接触核辐射的机会越来越多,核辐射防护越来越受重视,且对屏蔽材料的综合性能提出了更高的要求,如在材料的屏蔽效率、环保、耐温、轻质、机械性能等方面都需要考量[1]。X/γ射线在核电站、核医学和工业探伤等工作中普遍存在,由于其具有较强的穿透性,如果防护不当,很容易对相关人员造成健康危害。传统防护X/γ射线的方法一般是采用高质子材料(如铅或含铅材料)进行射线屏蔽。然而含铅材料存在着有毒、质量重、不易成型、价格较高等缺点。另外,对于屏蔽X/γ射线而言,当入射X/γ的能量恰好等于屏蔽材料内壳层电子的结合能时,γ能量会被电子完全吸收,这一能量值称为物质的吸收边。稀土元素由于其特殊的电子层结构,其K层吸收边比较低(20~63.3 keV)。铅的K层吸收边为88 keV,铅的L层吸收边为13 keV,但吸收γ的能力随能量的增高而迅速减弱,越远离吸收边屏蔽性能越差。因此,铅对于能量在40~88 keV的γ的屏蔽优势不明显。而稀土元素对20~88 keV能区的γ射线有比较好的屏蔽效果,恰好能弥补铅的弱吸收区[2]。近年来,高分子复合材料在辐射防护应用方面受到广泛关注[2],被认为是未来能够有效防护核辐射的新型材料[3]。

目前,国内外已开展了诸多关于高分子复合材料在核辐射屏蔽方面的研究[1‒4],主要是在高分子基体材料中添加防护中子或γ的功能性填料而制备屏蔽复合材料。可以用作辐射防护材料基体一般有环氧树脂、聚酰亚胺、聚酯树脂、聚乙烯和橡胶等。如,Abdo等[5]研究了钛铁矿/环氧树脂复合材料在中子和γ射线衰减中的应用;Joshi等[6]研究了环氧基γ屏蔽材料的辐射稳定性;包建文等[7]开展了环氧树脂电子束辐射效应研究;钟志京等[8]开展了127-环氧树脂胶及其组分的辐射效应研究;陈可平[9]开展了环氧树脂辐射老化的研究进展;朱文刚[10]开展了γ辐射对氮化硼/环氧树脂复合材料性能的影响;Okuno等[11]研究了硬硼钙石/环氧树脂的中子屏蔽材料;王鹏等[12]开展了碳纤维增强B4C/环氧树脂基中子屏蔽材料的力学性能优化研究;胡琛等[13]研究了金属有机骨架/环氧树脂辐射屏蔽材料的增韧机理;Wu[14]研究了低温绝热系统用的新型耐辐射玻璃纤维/环氧复合材料;董宇等[15]对WO3/CeO2/环氧树脂基辐射防护材料的制备及性能进行了研究;董梦格等[16]研究了环氧树脂对γ射线的屏蔽性能及耐辐照效应;李江苏等[17]对氧化钐/环氧树脂与聚丙烯酸钐/环氧树脂辐射防护材料性能进行了研究;张瑜等[18]研究了聚丙烯酸铅/环氧树脂辐射防护材料性能;胡琛等[19]对MOF/聚酰亚胺基的中子屏蔽材料进行了力学性能和屏蔽性能研究;Bobadilla-Sanchez等[20]研究了聚酯纤维和γ射线对CaCO3/硅砂/聚酯树脂复合材料的性能影响;Mortazavi等[21]研究了用于中子屏蔽的高密度硼化聚乙烯纳米复合材料;Toyen等[22]研究了屏蔽γ射线的金属氧化物/天然橡胶复合材料。可作为有效衰减X/γ射线的填料一般为高质子金属或金属氧化物颗粒,如铅、钨、铋的金属或氧化物颗粒[23],以及稀土氧化物[24]等。已有研究表明,环氧树脂作为基材具有诸多优点,如耐腐蚀、力学性能好、耐磨性强、绝缘性优良及耐辐照性较强等[25],因此在材料粘结、防腐、绝缘和防辐射等领域都有着广泛的应用。本研究将含稀土元素的Y2O3填充到环氧树脂中制备得到Y2O3/EP复合材料,并对其微结构及综合性能进行研究。

1 实验部分

1.1 样品制备

样品制备中所用到的原料有粒径为40~60 nm的氧化钇(Y2O3)粉末、环氧树脂E51、固化剂二乙烯三胺、丙酮、有机硅偶联剂等。

实验中首先用偶联剂对纳米Y2O3粉末表面进行处理,取20 g Y2O3粉末加入到50 mL丙酮中,取2 g有机硅偶联剂加入混合液,先后超声分散、磁力搅拌各30 min,将混合液静置10 h后抽滤,再于80 ℃真空干燥24 h获得经有硅机偶联剂表面处理的纳米Y2O3粉末。

取经过表面处理的Y2O3粉末0 g、1 g、2 g、3 g和4 g,分别加入到10 g环氧树脂E51中制备含Y2O3质量百分数为0%、10%、20%、30%和40%的样品。制备时将混合物在40 ℃下磁力搅拌1 h,然后分别加入10.5 g固化剂二乙烯三胺,常温搅拌30 min,真空脱泡后倒入样品模具,在60 ℃下真空固化24 h获得样品,分别为纯环氧树脂(Pure EP)、10% Y2O3/EP、20% Y2O3/EP、30% Y2O3/EP和40% Y2O3/EP。

1.2 样品结构表征与测试

本实验采用6100型X射线衍射仪(日本岛津)分析样品物相,以Cu为靶产生的X射线源,管压为40 kV,管流为30 mA,2角扫描范围为20°~80°,扫描速度为10° min-1。采用VEGA 3 SBH型钨丝灯扫描式电子显微镜(捷克泰思肯)对样品进行微观形貌分析。采用时间分辨率为220 ps的快快符合系统测量正电子寿命谱。活度为5.55×105Bq的22Na正电子放射源被夹在两个相同的样品之间。计数率约为50 s-1,每个谱总计数为106。

热稳定性采用TG209 F3型热重分析仪(德国耐驰)分析样品随温度变化的失重情况,氮气气氛中以10 ℃‧min-1的升温速率进行,从室温升至700 ℃。采用DSC200 F3型差示扫描量热仪(德国耐驰)分析样品玻璃化温度。

力学性能分析采用Tukon2500型自动转塔维氏硬度计测试了样品的维氏硬度;按照国标GB/T 2567—2008[26]要求,采用Instron 3369型万能拉力机在室温下测试了样品拉伸强度、断裂伸长率和杨氏模量。

1.3 屏蔽性能分析

利用成熟的中子γ输运软件蒙特卡罗程序(Monte Carlo N Particle Transport Code Version 5,MCNP5)模拟计算了复合材料对窄束γ射线的屏蔽能力。计算模型纵剖面如图1所示,计算时γ源放在铅组成的腔室中,源到样品之间及样品到探测器之间设置的是准直器。计算过程中,MCNP计算统计误差均小于3%。

图1 MCNP5计算屏蔽的结构图

2 结果与讨论

2.1  X射线衍射分析

如图2所示,纯环氧树脂样品的X射线衍射(X-ray Diffraction,XRD)曲线中无任何峰,可以看出,环氧树脂属于非晶聚合物。而Y2O3粉末与Y2O3/EP复合材料的XRD曲线的形状完全一致,峰的位置相同,只是高度不同。峰的位置相同说明,Y2O3在复合材料合成前后的晶型没有发生变化,表明Y2O3未与环氧树脂发生任何化学反应,只是物理混合在环氧树脂中,峰的高度不同反应样品中Y2O3含量不同。

图2 不同Y2O3含量样品的XRD衍射谱

2.2 电镜扫描

利用扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)对不同含量Y2O3的样品断面进行了扫描,结果如图3所示。可以看出纯环氧树脂样品断面成皱褶状,而随着Y2O3颗粒在样品中占比越来越大,Y2O3颗粒团聚的亮斑呈现越来越大的趋势。

图3 样品材料SEM照片 (a) 纯环氧树脂,(b) 10% Y2O3/EP,(c) 20% Y2O3/EP,(d) 30% Y2O3/EP,(e) 40% Y2O3/EP

2.3 正电子寿命谱

为了定量分析Y2O3填充到环氧树脂中样品的微观结构,采用了正电子湮没寿命谱(Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy,PALS)[27],并通过计算机程序PATFIT[28](正电子湮没技术平方拟合程序)拟合测量结果,得到正电子寿命谱三个寿命分量,分别为1、2和3,其相对强度分别为1、2和3[27]。

在研究高分子材料时,一般通过分析第三寿命分量3,即正态电子偶素orthopositronium(o-Ps)来分析材料中自由体积空穴大小,通过o-Ps湮没强度3分析材料中平均自由体积空穴相对数量。根据量子力学的一般原理,Tao和Eldrup等[29-30]提出了3与自由体积空穴的经验公式,即:

式中:为自由体积的半径;Δ为球势阱内表面电子层的厚度,对于高分子材料一般为0.165 6 nm[31],利用此公式可以得到样品中自由体积半径的平均值。

自由体积分数表示材料中自由体积在总体积中的占比,它是高分子材料中影响材料宏观性能的关键参数之一。由于正电子湮没测量中3与材料中自由体积空穴的相对数量成正比[31],自由体积分数与3的关系为:

式中:C为比例常数,为自由体积空穴的体积。据此,可以得到所测样品中自由体积分数。用正电子湮没技术测试不同样品所得到的o-Ps湮没寿命τ3及自由体积孔穴尺寸Vf结果如图4(a)所示;o-Ps湮没强度I3结果如图4(b)所示;自由体积分数结果如图4(c)所示。

从图4(a)可以看出,随着样品中Y2O3含量增加,o-Ps湮没寿命3自由体积孔穴尺寸V先减小再增加,这主要是由于Y2O3添加到样品中后占据了一部分自由体积,使得自由体积孔穴尺寸变小,但随着含量的增加,颗粒团聚变得严重,导致自由体积尺寸有所增大。图4(b)和(c)结果表明,样品中自由体积空穴的数量和自由体积分数随着Y2O3含量的增加而减少,这主要归功于Y2O3对自由体积的填充。

2.4 热稳定性分析

2.4.1热重分析

图5为样品热重曲线,可以看出,不管是纯环氧树脂还是掺Y2O3的环氧树脂到了300 ℃才开始分解,表明它们是热稳定性很好,可耐高温,这主要是取决于环氧树脂本身良好的耐温特性。当温度升高到500 ℃、Y2O3含量在0%~40%的范围内时,环氧树脂复合材料样品重量分别降为原来的10%、18%、30%、40%和49%。可以看出,Y2O3的添加减缓了复合材料的热解速率,增加了热解后的剩余质量,提高了材料热稳定性。

图5 不同Y2O3含量样品的热重曲线

2.4.2玻璃化温度

玻璃化转变温度(g)是材料玻璃态和橡胶态的分界点,它是聚合物的特征温度之一。本研究中利用DSC(Differential Scanning Calorimeter)测试了不同含量Y2O3样品的g,结果如图6所示。可以看出,g随着样品中Y2O3含量而增加,即填充Y2O3到环氧树脂中后提升了材料的热学性能。这主要是因为复合材料中填料的加入会减小样品中自由体积,阻碍高分子链的热运动,提升玻璃化温度[32]。正电子湮没分析结果也证实了样品中平均自由体积分数随着Y2O3含量增加而减小。

图6 不同Y2O3含量样品的玻璃化温度

2.5 力学性能分析

2.5.1维氏硬度

利用维氏硬度计对Y2O3/EP样品进行测试,结果如图7(a)所示。可以看出,样品硬度随着Y2O3填充量而增加,这主要是因为填料的维氏硬度高于环氧树脂E51,随着样品中刚性填料越来越多,Y2O3/EP样品整体的维氏硬度也越来越高。维氏硬度从纯环氧树脂样品的15.2 HV到含40% Y2O3复合材料样品的20.6 HV,提升了35.5%。

2.5.2杨氏模量

杨氏模量的大小标志了材料的刚性,杨氏模量越大,越不容易发生形变。对样品进行常温拉伸试验,得到杨氏模量结果如图7(b)所示,结果表明:随着Y2O3填充量增加样品杨氏模量大幅提高,这是由于填料的刚度高于环氧树脂E51,随着Y2O3含量增加样品整体的刚度也越来越高。杨氏模量从纯环氧树脂样品的5 157 MPa到含40% Y2O3复合材料样品的8 578 MPa,提升了66.3%。

2.5.3拉伸强度和断裂伸长率

室温下对样品进行拉伸试验,其拉伸强度和断裂伸长率结果如图7(c)所示,结果表明样品拉伸强度和断裂伸长率均随着样品中随着Y2O3含量增加而减小,特别是当Y2O3含量到达40%后其抗拉强度急剧下降,拉伸强度从纯环氧树脂样品的56.3 MPa到含40% Y2O3复合材料样品的32.2 MPa,下降了42.8%;断裂伸长率从纯环氧树脂样品的1.25%到含40% Y2O3复合材料样品的0.37%,下降了70.4%。这主要是由于随着Y2O3含量的增加,纳米Y2O3粉末团聚越来越严重导致的结果。因此在实际应用中不宜填充过大比例的Y2O3,否则制备的复合材料韧性不足,容易脆断。

图7 维氏硬度(a)、杨氏模量(b)和室温拉伸强度和断裂伸长率(c)

2.6 屏蔽性能分析

本研究中利用MCNP5计算了纯铅(Pb)和Y2O3含量为10%~40%的Y2O3/EP复合材料等5种材料的屏蔽性能,分别计算了它们对不同能量X/γ射线的线性衰减系数(),并进行了对比(纯铅是公认的X/γ射线最佳屏蔽材料,也是具有大量可靠实验数据可查)。为了分析材料对常见X/γ射线能量的屏蔽性能,从10~1 332 keV取16个典型的X/γ射线能量点进行模拟计算。计算中,不同Y2O3含量复合材料的元素组成及其密度如表1所示。

表1 不同Y2O3含量复合材料的元素组成及其密度

根据X/γ射线在物质中的相互作用可知,其在材料中的衰减规律满足指数衰减,可用式(3)表示:

式中:为X/γ射线穿过样品厚度为时的探测器计数;0为X/γ射线穿过样品厚度为0时(即无样品时)的探测器计数;为线性衰减系数,cm-1,数值越大表明材料屏蔽射线能力越好;为样品厚度,cm。将式(3)进行变换可得式(4),可以看出,ln(/0)与厚度为线性关系。

为了验证模拟计算的正确性,计算了Y2O3含量为10%的复合材料在X/γ射线能量为10 keV、30 keV、50 keV、70 keV、300 keV、511 keV情况下,ln(/0)与厚度的变化关系,结果如图8(a)所示,可看出ln(/0)与厚度具有很好的线性关系。另外计算了纯铅在X/γ射线能量为30 keV、40 keV、50 keV、60 keV、80 keV、200 keV、300 keV和400 keV情况下的线性衰减系数,并将计算结果与文献[33]第16页中查表结果进行比对,二者吻合很好,误差在3%以内,如图8(b)所示,表明计算结果可靠。

图8 10% Y2O3样品对不同X/γ能量的计数率对数之比随厚度变化(a)和纯铅线性衰减系数μ的计算值与文献值比对(b)

为了评估不同Y2O3含量复合材料对X/γ射线的屏蔽效果,计算了不同厚度材料对不同X/γ射线能量的探测计数,并通过式(4)换算出线性衰减系数,结果如图9所示。结果表明:Y2O3/EP复合材料对X/γ射线的线性衰减系数随着Y2O3含量的增加而增大,且随X/γ射线能量增加而急剧下降,但在20 keV处存在转折峰,其中Y2O3含量为40%的复合材料在20 keV处线性衰减系数最大,为25.667,这主要是由于钇(Y)元素的K吸收边在此能量处。结果表明:Y2O3含量每提高10%,其屏蔽性能提高约50%,且Y2O3/EP复合材料对屏蔽低能X/γ效果相对较好,特别是在20 keV附近。

图9 不同Y2O3含量复合材料衰减系数随X/γ能量的变化

为了对比Y2O3/EP复合材料与纯Pb对X/γ射线的屏蔽效果,计算时选择了Y2O3含量为40%的复合材料与纯Pb结果进行分析比较。根据式(4)计算出了40% Y2O3/EP和纯Pb的线性衰减系数,其随X/γ射线能量的变化如图10所示。结果表明:Y2O3/EP复合材料和纯Pb的线性衰减系数随X/γ射线能量增加均急剧减小,且Y2O3/EP复合材料的衰减系数在各能区均要小于纯Pb的衰减系数,Y2O3/EP复合材料的在低能区的屏蔽性能明显较好。

图10 40% Y2O3/EP和纯Pb的线性衰减系数随X/γ能量的变化

为了进一步定量评估复合材料相对铅的屏蔽性能,定义等效铅厚度(d)和等效铅质量(m),即达到与Pb同样屏蔽效果时,所需材料厚度或质量是Pb相应的倍数。等效铅厚度或等效铅质量的数值越小说明其在X/γ射线某能区内的等效铅屏蔽效果越好,可如下表示:

另外,根据线性衰减系数可以计算出屏蔽99% X/γ射线所需材料的厚度(表2)。其中能量为20 keV时,需要40% Y2O3/EP厚度为0.179 cm,需纯铅厚度为0.005 cm;能量为80 keV时,需要40% Y2O3/EP厚度为4.377 cm,需纯铅厚度为0.086 cm;能量为662 keV时,需要40% Y2O3/EP厚度为38.7 cm,需纯铅厚度为3.88 cm。虽然Y2O3/EP复合材料屏蔽效果不如纯铅,但在实际应用中可以通过增加复合材料的厚度来弥补其对射线的屏蔽能力,而且在X/γ射线能量小于80 keV时,需要40% Y2O3/EP材料厚度小于5 cm即可满足屏蔽要求,这在实际应用中是很容易实现的。

3 结语

表2 不同X/γ射线能量下40% Y2O3/EP和纯Pb的屏蔽性能对比

本研究将纳米氧化钇填充到环氧树脂E51中制备了Y2O3/EP复合材料样品,表征了其微观结构并测试了热稳定性及机械性能,模拟计算了样品对γ射线的屏蔽性能。电镜扫描结果表明,制备得到的Y2O3/EP复合材料随着Y2O3含量的提高材料中粒子团聚越来越明显;正电子湮没测试表明,材料中自由体积分数越来越小;玻璃化温度测试表明,Y2O3/EP复合材料随着Y2O3含量的增加热稳定性有所提升;硬度及拉力测试表明,Y2O3/EP复合材料随着Y2O3含量的增加样品的硬度和杨氏模量均增加,但是抗拉强度和断裂伸长率下降明显;屏蔽模拟计算表明,Y2O3/EP复合材料对低能γ射线具有较好的屏蔽性能。综合研究表明:Y2O3填充到环氧树脂中可提升复合材料的热稳定性、硬度和杨氏模量,但会降低材料韧性,建议制备的材料中Y2O3含量不宜过高,建议不超过40%。在X/γ射线能量20~1 332 keV内,材料相同厚度时,40% Y2O3/EP复合材料的屏蔽效果为Pb的2%~10%,质量相同时,Y2O3/EP (40)复合材料的屏蔽效果为Pb的15%~66%,虽然Y2O3/EP复合材料屏蔽效果较纯铅的差,但在X/γ射线低能区可满足屏蔽要求,具备替代铅或含铅材料作为辐射屏蔽材料的能力。

作者贡献声明 郑玉龙:样品制备,DSC测试,拉伸测试,起草文章;潘昕怡:样品制备,XRD测试,数据处理;熊厚华:论文整体设计,实验指导,实验数据分析,对文章作批评性审阅,研究经费支持;曾正魁:屏蔽性能模拟计算,文章修改;杜纪富:样品电镜扫描及硬度测试;陈志远:样品正电子湮没测试及数据分析。

1 Gan B, Liu S C, He Z,. Research progress of metal-based shielding materials for neutron and gamma rays[J]. Acta Metallurgica Sinica (English Letters), 2021, 34(12): 1609–1617. DOI: 10.1007/s40195-021-01259-5.

2 胡艳巧. 防辐射有机玻璃和凝胶玻璃的制备研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2010.

HU Yanqiao. Synthesis of R(MAA)3/PMMA composite for X-ray sheilding and study of gel glass[D]. Beijing: Beijing University of Chemical Technology, 2010.

3 何林, 蔡永军, 李强. 中子和伽马射线综合屏蔽材料研究进展[J]. 材料导报, 2018, 32(7): 1107–1113. DOI: 10.11896/j.issn1005-023X201807010.

HE Lin, CAI Yongjun, LI Qiang. Research progress in radiation shielding materials serving as the combined barrier against neutron and gamma-ray[J]. Materials Review, 2018, 32(7): 1107–1113. DOI: 10.11896/j.issn1005-023X201807010.

4 姜懿峰, 栾伟玲, 张晓霓, 等. 环氧树脂基耐高温中子屏蔽复合材料的研究[J]. 核技术, 2015, 38(12): 120202. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.120202.

JIANG Yifeng, LUAN Weiling, ZHANG Xiaoni,. Preparation of AFG90-H epoxy resin-based temperature-resistant neutron shielding composite[J]. Nuclear Techniques, 2015, 38(12): 120202. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.120202.

5 Abdo A E S, El-Sarraf M A, Gaber F A. Utilization of ilmenite/epoxy composite for neutrons and gamma rays attenuation[J]. Annals of Nuclear Energy, 2003, 30(2): 175–187. DOI: 10.1016/S0306-4549(02)00052-X.

6 Joshi S, Snehalatha V, Sivasubramanian K,. Radiation stability of epoxy-based gamma shielding material[J]. Journal of Materials Engineering and Performance, 2019, 28(12): 7332–7341. DOI: 10.1007/s11665-019-04487-0.

7 包建文, 钟翔屿, 李晔, 等. 环氧树脂电子束辐射效应研究[J]. 辐射研究与辐射工艺学报, 2006, 24(1): 15–22. DOI: 10.3969/j.issn.1000-3436.2006.01.004.

BAO Jianwen, ZHONG Xiangyu, LI Ye,. Radiation effect of epoxy resin by electron beams[J]. Journal of Radiation Research and Radiation Processing, 2006, 24(1): 15–22. DOI: 10.3969/j.issn.1000-3436.2006.01.004.

8 钟志京, 罗世凯, 傅依备, 等. 127-环氧树脂胶及其组分的辐射效应研究[J]. 辐射研究与辐射工艺学报, 2001, 19(2): 92–98. DOI: 10.3969/j.issn.1000-3436.2001.02.002.

ZHONG Zhijing, LUO Shikai, FU Yibei,. The study of radiation effect on 127-epoxy resin adhesive and its components[J]. Journal of Radiation Research and Radiation Processing, 2001, 19(2): 92–98. DOI: 10.3969/j.issn.1000-3436.2001.02.002.

9 陈可平, 刘文, 赵秀丽, 等. 环氧树脂辐射老化的研究进展[J]. 辐射研究与辐射工艺学报, 2022, 40(1): 010101. DOI: 10.11889/j.1000-3436.2021-0101.

CHEN Keping, LIU Wen, ZHAO Xiuli,. Progress in radiation aging of epoxy resins[J]. Journal of Radiation Research and Radiation Processing, 2022, 40(1): 010101. DOI: 10.11889/j.1000-3436.2021-0101.

10 朱文刚, 姜志文, 陈洪兵, 等. γ辐射对氮化硼/环氧树脂复合材料性能的影响[J]. 辐射研究与辐射工艺学报, 2020, 38(3): 030201. DOI: 10.11889/j.1000-3436.2020.rrj.38.030201.

ZHU Wengang, JIANG Zhiwen, CHEN Hongbing,. γ-ray radiation effect on the properties of boron nitride/epoxy composites[J]. Journal of Radiation Research and Radiation Processing, 2020, 38(3): 030201. DOI: 10.11889/j.1000-3436.2020.rrj.38.030201.

11 Okuno K. Neutron shielding material based on colemanite and epoxy resin[J]. Radiation Protection Dosimetry, 2005, 115(1–4): 258–261. DOI: 10.1093/rpd/nci154.

12 王鹏, 汤晓斌, 陈飞达, 等. 短切碳纤维增强B4C/环氧树脂基中子屏蔽材料的力学性能优化研究[J]. 核技术, 2013, 36(1): 31–36.

WANG Peng, TANG Xiaobin, CHEN Feida,. Mechanical performance optimization of neutron shielding material based on short carbon fiber reinforced B4C/epoxy resin[J]. Nuclear Techniques, 2013, 36(1): 31–36.

13 Hu C, Xiao J D, Mao X D,. Toughening mechanisms of epoxy resin using aminated metal-organic framework as additive[J]. Materials Letters, 2019, 240: 113–116. DOI: 10.1016/j.matlet.2018.12.123.

14 Wu Z X, Zhang H, Yang H H,. Novel radiation-resistant glass fiber/epoxy composite for cryogenic insulation system[J]. Journal of Nuclear Materials, 2010, 403(1–3): 117–120. DOI: 10.1016/j.jnucmat.2010. 06.009.

15 董宇, 戴耀东, 常树全, 等. WO3/CeO2/环氧树脂基辐射防护材料的制备及性能研究[J]. 材料导报, 2012, 26(S2): 184–186, 205.

DONG Yu, DAI Yaodong, CHANG Shuquan,. Preparation of WO3/CeO2/epoxy resin based multilayer radiation shielding material and its property research[J]. Materials Review, 2012, 26(S2): 184–186, 205.

16 董梦格, 薛向欣, 杨合, 等. 环氧树脂对伽马射线的屏蔽分析及耐辐照效应[J]. 原子能科学技术, 2016, 50(11): 2101–2106. DOI: 10.7538/yzk.2016.50.11.2101.

DONG Mengge, XUE Xiangxin, YANG He,. Shielding analysis and irradiation resistant effect of epoxy resin for gamma ray[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2016, 50(11): 2101–2106. DOI: 10.7538/yzk.2016.50.11.2101.

17 李江苏, 张瑜, 孙浩, 等. 氧化钐/环氧树脂与聚丙烯酸钐/环氧树脂辐射防护材料的制备工艺、微观结构及性能[J]. 复合材料学报, 2011, 28(1): 43–49. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.2011.01.039.

LI Jiangsu, ZHANG Yu, SUN Hao,. Preparation, microstructure and capability of Sm2O3/epoxy resin composite and polyacrylic acid samarium/epoxy resin composite[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2011, 28(1): 43–49. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.2011.01.039.

18 张瑜, 戴耀东, 李江苏, 等. 聚丙烯酸铅/环氧树脂辐射防护材料的制备及性能研究[J]. 高分子学报, 2010(5): 582–587.

ZHANG Yu, DAI Yaodong, LI Jiangsu,. Preparation of nano-poly(lead acrylate) epoxy resin based radiation-protection material and its properties[J]. Acta Polymerica Sinica, 2010(5): 582–587.

19 Hu C, Zhai Y T, Song L L,. Structure-thermal activity relationship in a novel polymer/MOF-based neutron-shielding material[J]. Polymer Composites, 2020, 41(4): 1418–1427. DOI: 10.1002/pc.25465.

20 Bobadilla-Sanchez E A, Martinez-Barrera G, Brostow W,. Effects of polyester fibers and gamma irradiation on mechanical properties of polymer concrete containing CaCO3and silica sand[J]. Express Polymer Letters, 2009, 3(10): 615–620. DOI: 10.3144/expresspolymlett. 2009.77.

21 Mortazavi S M J, Kardan M, Sina S,. Design and fabrication of high density borated polyethylene nanocomposites as a neutron shield[J]. International Journal of Radiation Research, 2016, 14(4): 379–383. DOI: 10.18869/acadpub.ijrr.14.4.379.

22 Toyen D, Rittirong A, Poltabtim W,. Flexible, lead-free, gamma-shielding materials based on natural rubber/metal oxide composites[J]. Iranian Polymer Journal, 2018, 27(1): 33–41. DOI: 10.1007/s13726-017-0584-3.

23 张瑜. 基于金属功能粒子的高分子基辐射屏蔽材料制备及性能研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2011.

ZHANG Yu. The preparation and radiation shielding effects of polymer materials based on the metal functional particles[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2011.

24 Mahmoud K M, Rammah Y S. Investigation of gamma-ray shielding capability of glasses doped with Y, Gd, Nd, Pr and Dy rare earth using MCNP-5 code[J]. Physica B: Condensed Matter, 2020, 577: 411756. DOI: 10.1016/j.physb.2019.411756.

25 郑莉芳, 谢亚杰, 岳丽娜, 等. 不同剂量γ辐照对玻璃纤维/环氧树脂热性能的影响[J]. 复合材料学报, 2017, 34(11): 2407–2413. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170829.002.

ZHENG Lifang, XIE Yajie, YUE Lina,. Effects of different γ irradiation dosages on thermal properties of glass fiber/epoxy resin composite[J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2017, 34(11): 2407–2413. DOI: 10.13801/j.cnki.fhclxb.20170829.002.

26 国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会. GB/T 2567—2008: 树脂浇铸体性能试验方法[S]. 北京: 中国标准出版社, 2009. General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China, Standardization Administration of the People's Republic of China. GB/T 2567—2008: Test methods for properties of resin casting boby[S]. Beijing: Standards Press of China, 2009.

27 王少阶, 陈志权, 王波. 应用正电子谱学[M]. 武汉: 湖北科学技术出版社, 2008.

WANG Shaojie, CHEN Zhiquan, WANG Bo. Applied positron spectroscopy[M]. Wuhan: Hubei Science & Technology Press, 2008.

28 Kirkegaard P, Pedersen N, Eldrup M. Patfit-88: a data-processing system for positron annihilation spectra on mainfraime and personal computers[R]. Riso National Laboratory, Roskilde, Denmark, 1989.

29 Eldrup M, Lightbody D, Sherwood J N. The temperature dependence of positron lifetimes in solid pivalic acid[J]. Chemical Physics, 1981, 63(1–2): 51–58. DOI: 10. 1016/0301-0104(81)80307-2.

30 Ito K, Ujihira Y, Yamashita T,. Free-volume change in volume phase transition of polyacrylamide gel as studied by positron annihilation: salt dependence[J]. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 1999, 37(18): 2634–2641. DOI: 10.1002/(SICI)1099-0488(19990915)37: 18<2634: AID-POLB7>3.0.CO;2-H.

31 Sharma S K, Pujari P K. Role of free volume characteristics of polymer matrix in bulk physical properties of polymer nanocomposites: a review of positron annihilation lifetime studies[J]. Progress in Polymer Science, 2017, 75: 31–47. DOI: 10.1016/j.progpolymsci.2017.07.001.

32 Xie Q, Fu K X, Liang S D,. Micro-structure and thermomechanical properties of crosslinked epoxy composite modified by nano-SiO2: a molecular dynamics simulation[J]. Polymers, 2018, 10(7): 801. DOI: 10.3390/polym10070801.

33 霍雷, 刘剑利, 马永和. 辐射剂量与防护[M]. 北京: 电子工业出版社, 2015.

HUO Lei, LIU Jianli, MA Yonghe. Radiation dose and protection[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2015.

Radiation protection performance and positron lifetime of nano Y2O3/epoxy resin composites

ZHENG Yulong PAN Xinyi XIONG Houhua ZENG Zhengkui DU Jifu CHEN Zhiyuan

()

Traditional shielding X/γ ray materials are generally lead or lead containing materials, which have the disadvantages of high toxicity, heavy weight, difficult molding and high price. Polymer composite materials are considered to be new materials that can effectively protect against nuclear radiation in the future. Epoxy resin (EP) as a base material has many advantages, such as corrosion resistance, good mechanical properties, strong wear resistance, excellent insulation, and stronger radiation resistance, while rare earth materials have a better shielding effect on γ-rays in the 20~88 keV energy region, and can make up for the weak absorption zone of lead.This study aims to verify the shielding performance of nano Yttrium trioxide/epoxy resin composites (Y2O3/EP) against X/γ rays. [Methods] First of all, Y2O3/epoxy resin radiation protection materials with different yttrium oxide contents were prepared by filling Y2O3into EP. Then, the positron lifetime spectrum analysis combined with X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and other methods were employed to study the microstructure of the material whilst the thermogravimetric analysis and differential scanning calorimeter (DSC) were applied to analyzing the thermal stability of the material, and Vickers hardness tester and universal tensile machine were used to test the mechanical properties of the material. Finally, the Monte Carlo N Particle Transport Code (MCNP) was applied to the simulation calculation of the radiation protection performance of the these samples.Testing results show that Y2O3filled with epoxy resin can improve the thermal stability, hardness and Young's modulus of the composite material, but reduce the tensile strength. In the X/γ ray energy range of 20~1 332 keV, the shielding effect of 40% Y2O3/EP composite is 2%~10% of that of pure Pb under the same material thickness, and the shielding effect of 40% Y2O3/EP composite is 15%~66% of that of pure Pb under the same mass.Although the shielding effect of Y2O3/EP composite is worse than that of pure lead, it can meet the shielding requirements at X/γ low-energy radiation region with capability to replace lead or lead containing materials as radiation shielding materials.

Radiation protection, Composite materials, Shielding, Rare earth materials

Supported by Innovation Training Program for College Students of Hubei Province (No.S202010927041), Foundation Project of Hubei University of Science and Technology (No.BK201820), Start-up Fund Project of Hubei University of Science and Technology (No.BK202207)

ZHENG Yulong, male, born in 2001, undergraduate student, major in nuclear engineering and nuclear technology, Hubei University of Science and Technology, focusing on radiation protection materials

XIONG Houhua, E-mail: xionghouhua@hbust.edu.cn; ZENG Zhengkui, E-mail: zengzhengkui@hbust.edu.cn

2021-12-15,

2022-03-16

10.11889/j.0253-3219.2022.hjs.45.060203

湖北省大学生创新训练项目(No.S202010927041)、湖北科技学院基金(No.BK201820)、湖北科技学院博士启动基金(No.BK202207)资助

郑玉龙,男,2001年出生,现为湖北科技学院核工程与核技术专业本科生,研究领域为辐射防护材料

熊厚华,E-mail:xionghouhua@hbust.edu.cn;曾正魁,E-mail:zengzhengkui@hbust.edu.cn

2021-12-15,

2022-03-16

TL77

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