微米板Sm2O3填料增强HDPE复合材料的制备及中子和伽马辐射屏蔽性能

doi:10.7503/cjcu20240142

高等学校化学学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (9): 20240142.doi: 10.7503/cjcu20240142

• 研究论文: 无机化学 • 上一篇下一篇

微米板Sm₂O₃填料增强HDPE复合材料的制备及中子和伽马辐射屏蔽性能

鲁义东¹^,², 霍志鹏¹(), 张宏¹, 钟国强¹

^1.中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所, 合肥 230031
^2.中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 合肥 230026

收稿日期:2024-03-25 出版日期:2024-09-10 发布日期:2024-05-23
通讯作者: 霍志鹏 E-mail:zhipeng.huo@ipp.ac.cn
基金资助:
安徽省生态环境科研项目(2023hb0017);安徽省高校协同创新项目(GXXT-2022-001);聚变堆主机关键系统综合研究设施项目(2018-000052-73-01-001228);合肥综合性国家科学中心能源研究院(安徽省能源实验室)项目(21KZL401)

Preparation of Micron Plate Sm₂O₃ Fillers Reinforced High-density Polyethylene Composites for Neutron and Gamma Radiation Shielding

LU Yidong¹^,², HUO Zhipeng¹(), ZHANG Hong¹, ZHONG Guoqiang¹

^1.Institute of Plasma Physics，Hefei Institutes of Physical Science，Chinese Academy of Sciences，Hefei 230031，China
^2.Science Island Branch，Graduate School of University of Science and Technology of China，Hefei 230026，China

Received:2024-03-25 Online:2024-09-10 Published:2024-05-23
Contact: HUO Zhipeng E-mail:zhipeng.huo@ipp.ac.cn
Supported by:
the Anhui Province Ecological Environment Research Project, China(2023hb0017);the University Synergy Innovation Program of Anhui Province, China(GXXT-2022-001);the Comprehensive Research Facility for Fusion Technology Program of China(2018-000052-73-01-001228);the Programs of Institute of Energy, Hefei Comprehensive National Science Center, China(21KZL401)

摘要/Abstract

摘要：

分别采用合成的Sm₂O₃(Sm₂O₃-I)填料与商用Sm₂O₃(Sm₂O₃-II)填料制备了Sm₂O₃/碳化硼(B₄C)/高密度聚乙烯(HDPE)复合材料, 并用于中子和伽马辐射屏蔽. X射线衍射(XRD)结果表明, Sm₂O₃-I填料属于立方晶系、体心立方晶格、 Ia $3 ¯$ (206)空间群; 而Sm₂O₃-II填料中存在两种物相, 一种为单斜晶系、简单单斜格子、 C2/m(12)空间群, 另一种为立方晶系、体心立方晶格、 Ia $3 ¯$ (206)空间群. 场发射扫描电子显微镜(FESEM)和比表面积分析结果表明, Sm₂O₃-I填料微观形貌为带狭缝的微米板结构, 其Brunauer-Emmett-Teller(BET)比表面积（S_BET）为5.15 m²/g; Sm₂O₃-II填料中存在由两种物相导致的板状团聚体与无特定形貌团聚体两种微观形貌, 其S_BET为2.47 m²/g. 合成的微米板Sm₂O₃-I/B₄C/HDPE复合材料的熔融温度(T_p)和屈服应力(σ_y)分别为140.6 ℃和22.6 MPa, 优于商用Sm₂O₃-II/B₄C/HDPE复合材料. 中子和伽马辐射屏蔽测试结果表明, 尺寸均一且具有高BET比表面积的微米板Sm₂O₃-I填料可提高复合材料的中子和伽马辐射屏蔽性能. 厚度为15 cm的10%Sm₂O₃-I/20%B₄C/70%HDPE(质量分数)复合材料对²⁵²Cf中子源的中子屏蔽率达98.4%, 对¹³⁷Cs伽马源的伽马辐射屏蔽率达71.7%, 均高于采用商用Sm₂O₃-II作为填料的复合材料.

关键词: Sm₂O₃, 复合材料, 中子, 伽马, 辐射屏蔽

Abstract:

Samarium oxide （Sm₂O₃）/boron carbide （B₄C）/high-density polyethylene （HDPE） composites are respectively prepared by using synthesized Sm₂O₃ fillers （Sm₂O₃-I） and commercial Sm₂O₃ fillers （Sm₂O₃-II） for neutron and gamma radiation shielding. The X-ray diffraction （XRD） patterns reveal that the phase of Sm₂O₃-I fillers is a cubic crystal system， body-centered cubic lattices， and its space group is Ia $3 ¯$ （206）. However， Sm₂O₃-II fillers have two phases. One is a monoclinic crystal system， simple monoclinic lattices， and its space is C2/m（12）. The other one is a cubic crystal system， body-centered cubic lattices， and the space group is Ia $3 ¯$ （206）. Field emission scanning electron microscopy（FESEM） and specific surface area analyses reveal that the micromorphology of Sm₂O₃-I fillers is micron plate with silt and its Brunauer-Emmett-Teller（BET） specific surface area（S_BET） is 5.15 m²/g， while irregularly shaped Sm₂O₃-II fillers have two kinds of micromorphology caused by the two phases of Sm₂O₃-II fillers， which are plate-like agglomeration and agglomeration without specific shape， and the S_BET of Sm₂O₃-II fillers is 2.47 m²/g. The melting temperature （T_p） and yield strength （σ_y） of the synthesized Sm₂O₃-I/B₄C/HDPE composites are respectively 140.6 °C and 22.6 MPa， which are better than the commercial Sm₂O₃-II/B₄C/HDPE composites. The neutron and gamma radiation shielding tests reveal that the synthesized Sm₂O₃ fillers with even size and high BET-specific surface area can improve the neutron and gamma radiation shielding performance of composites. 10%Sm₂O₃-I/20%B₄C/70%HDPE（mass fraction） with a thickness of 15 cm has a neutron radiation shielding rate of 98.4% under the ²⁵²Cf neutron source and a gamma radiation shielding rate of 71.7% under ¹³⁷Cs gamma source.

Key words: Sm₂O₃, Composite material, Neutron, Gamma, Radiation shielding

中图分类号:

O614

TrendMD:

鲁义东, 霍志鹏, 张宏, 钟国强. 微米板Sm₂O₃填料增强HDPE复合材料的制备及中子和伽马辐射屏蔽性能. 高等学校化学学报, 2024, 45(9): 20240142.

LU Yidong, HUO Zhipeng, ZHANG Hong, ZHONG Guoqiang. Preparation of Micron Plate Sm₂O₃ Fillers Reinforced High-density Polyethylene Composites for Neutron and Gamma Radiation Shielding. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(9): 20240142.

图/表 13

Fig.1 Schematic diagrams(A, B) and the photos(C, D) of neutron(A, C) and gamma(B, D) radiation shielding test devices

Fig.2 XRD patterns of Sm2O3⁃I and Sm2O3⁃II fillers

Fig.3 SEM images of Sm2O3⁃I (A, C) and Sm2O3⁃II (B, D) fillers

Fig.4 EDS spectra of Sm2O3⁃I(A) and Sm2O3⁃II(B) fillers

Fig.5 N2 adsorption⁃desorption isotherms(A) and pore size distributions(B) of Sm2O3⁃I(a) and Sm2O3⁃II(b) fillers

Fig.6 SEM images of fracture surface of Sm2O3⁃I/B4C/HDPE(A) and Sm2O3⁃II /B4C/HDPE composites(B)

Fig.7 TGA(A) and DSC(B) curves of composite materials and pure HDPE materialTonset1， Tonset2， Tonset3 and Tonset4 represent the initial melting temperatures of HDPE， 30%B4C/70%HDPE， 10%Sm2O3-I/20%B4C/70%HDPE and 10%Sm2O3-II/20%B4C/70%HDPE composites， respectively； Tp1， Tp2， Tp3 and Tp4 represent the peak temperature of the endothermic peaks of HDPE， 30%B4C/70%HDPE， 10%Sm2O3-I/20%B4C/70%HDPE and 10%Sm2O3-II/20%B4C/70%HDPE composites， respectively.

Table 1 Thermal stability parameters of composite materials and pure HDPE material

Material	T_5%/℃	T_50%/℃	T_onset/℃	T_p/℃
HDPE	449.1	477.1	119.3	131.3
30%B₄C/70%HDPE	444.1	478.5	120.4	136.5
10%Sm₂O₃-I/20%B₄C/70%HDPE	447.5	482.5	123.8	140.6
10%Sm₂O₃-II/20%B₄C/70%HDPE	444.7	479.3	123.1	139.7

Fig.8 Shore hardness(A) and stress⁃strain(B) curves of composite materials and pure HDPE material

Table 2 Mechanical parameters of composite materials and pure HDPE material

Material	Shore hardness/HD	Young’s modulus/MPa	Yield stress， σ_y/MPa	Tensile stress， σ_b/MPa	Elongation at break （%）
HDPE	60.9 ± 0.74	747.9	18.1	21.1	249.8
30%B₄C/70%HDPE	69.4 ± 1.51	1026.6	20.7	18.6	36.9
10%Sm₂O₃-I/20%B₄C/70%HDPE	66.6 ± 1.31	1109.1	22.6	21.5	27.9
10%Sm₂O₃-II/20%B₄C/70%HDPE	64.0 ± 0.76	1232.5	21.6	20.9	16.2

Fig.9 Neutron transmittances of different composites with a thickness of 1.5 cm under the 252Cf neutron source(A) and the 137Cs gamma source(B)

Fig.10 Neutron flux attenuations(A) and gamma flux attenuations(B) curves for different materials

Table 3 Neutron and gamma radiation shielding parameters of different materials

Material	ρ/（g‧cm^-3）	S_95%，n/cm	Σ/cm^-1	S_70%，_γ /cm	μ/cm^-1	μ_m/（cm²‧g^-1）	HVL/cm
HDPE	0.941	15.4	0.181	17.5	0.065	0.069	10.6
30%B₄C/70%HDPE	1.164	13.1	0.212	15.4	0.076	0.065	9.1
10%Sm₂O₃⁃I/20%B₄C/70%HDPE	1.217	11.2	0.246	13.7	0.086	0.071	8.0
10%Sm₂O₃⁃II/20%B₄C/70%HDPE	1.201	12.3	0.222	14.3	0.084	0.070	8.3

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微米板Sm₂O₃填料增强HDPE复合材料的制备及中子和伽马辐射屏蔽性能

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