亚微米球Eu2O3/B4C/HDPE复合材料的制备及中子/伽马辐射屏蔽性能

doi:10.7503/cjcu20250298

高等学校化学学报 ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (3): 20250298.doi: 10.7503/cjcu20250298

• 研究论文: 无机化学 • 上一篇下一篇

亚微米球Eu₂O₃/B₄C/HDPE复合材料的制备及中子/伽马辐射屏蔽性能

张捷¹^,², 霍志鹏²(), 钟国强²

^1.中国科学技术大学研究生院科学岛分院，合肥 230026
^2.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

收稿日期:2025-10-15 出版日期:2026-03-10 发布日期:2025-11-24
通讯作者: 霍志鹏 E-mail:zhipeng.huo@ipp.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金(12575224);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);中国聚变技术综合研究设施项目(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);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(21KHH105);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(21KZS205);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(24JYZL01);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(24JYJB01)

Preparation and Neutron and Gamma Radiation Shielding Properties of Submicron Spheres Eu₂O₃/B₄C/HDPE Composite

ZHANG Jie¹^,², HUO Zhipeng²(), ZHONG Guoqiang²

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

Received:2025-10-15 Online:2026-03-10 Published:2025-11-24
Contact: HUO Zhipeng E-mail:zhipeng.huo@ipp.ac.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(12575224);the Anhui Province Ecological Environment Research Project, China(2023hb0017);the University Synergy Innovation Program of Anhui Province, China(GXXT-2022-001);the Programs of Institute of Energy, Hefei Comprehensive National Science Center, China(21KZL401);the Comprehensive Research Facility for Fusion Technology Program of China(2018-000052 73-01-001228)

摘要/Abstract

摘要：

采用均相沉淀法合成了亚微米球Eu₂O₃(Eu₂O₃-S)填料，将其与不规则形貌的商用Eu₂O₃(Eu₂O₃-C)填料以及PbO填料增强复合材料进行了对比研究. XRD测试结果表明，合成的Eu₂O₃-S属立方晶系，体心立方格子， Ia $3 ¯$ (206)空间群. SEM测试结果表明，合成的Eu₂O₃-S填料为粒径均一的亚微米球，而商用Eu₂O₃-C填料为不规则形貌的微米颗粒. 力学拉伸测试与DSC测试结果表明，制备的Eu₂O₃-S/B₄C/HDPE（HDPE=高密度聚乙烯）复合板材的屈服强度和抗拉强度分别为21.3 MPa与21.0 MPa，熔融温度为119.7 ℃，均强于商用Eu₂O₃-C/B₄C/HDPE板材. 中子和伽马辐射屏蔽测试结果表明，粒径均一的Eu₂O₃-S填料在HDPE基体中分散性最优，能增强复合材料的屏蔽性能，厚度为1.5 cm的板材具有最优的中子屏蔽率(43.66%)，其伽马射线屏蔽率为13.48%，接近采用PbO填料的对比复合板材.

关键词: Eu₂O₃, 复合材料, 中子, 伽马射线, 辐射屏蔽

Abstract:

Submicron spherical Eu₂O₃（Eu₂O₃-S） filler was synthesized by homogeneous precipitation method， and a comparative study was conducted with commercial Eu₂O₃（Eu₂O₃-C） filler with irregular morphology and PbO filler reinforced composite materials. XRD tests show that the synthesized Eu₂O₃ filler（Eu₂O₃-S） is of cubic crystal system， body-centered cubic lattice， Ia $3 ¯$ （206） space group. SEM tests show that the synthetic Eu₂O₃-S filler has submicron spherical morphologies with uniform particle size， while the commercial Eu₂O₃-C filler has micron particles with irregular morphologies. Mechanical tensile tests and DSC tests show that the yield stress and tensile stress of the synthetic Eu₂O₃-S/B₄C/HDPE（HDPE=high density polyetnylene） composite material are 21.3 MPa and 21.0 MPa， respectively， and the melting temperature is 119.7 ℃， all of which are higher than those of commercial Eu₂O₃-C/B₄C/HDPE composite material. Neutron and gamma radiation shielding tests show that the Eu₂O₃-S filler with uniform particle size has the best dispersion in the HDPE matrix and can enhance the shielding rate of the composite material. The plate with a thickness of 1.5 cm has the best neutron shielding rate（43.66%）， and its gamma shielding rate is 13.48%， which is close to the comparison composite material with Pb fillers.

Key words: Eu₂O₃, Composite, Neutron, Gammaray, Radiation shielding

中图分类号:

O614

TrendMD:

张捷, 霍志鹏, 钟国强. 亚微米球Eu₂O₃/B₄C/HDPE复合材料的制备及中子/伽马辐射屏蔽性能. 高等学校化学学报, 2026, 47(3): 20250298.

ZHANG Jie, HUO Zhipeng, ZHONG Guoqiang. Preparation and Neutron and Gamma Radiation Shielding Properties of Submicron Spheres Eu₂O₃/B₄C/HDPE Composite. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(3): 20250298.

图/表 9

参考文献 53

[1]	Akiyama M.， Int. J. Radiat. Biol.， 1995， 68（5）， 497—508
[2]	Lad J.， Rusin A.， Seymour C.， Mothersill C.， Environ. Res.， 2019， 175， 84—99
[3]	Thomas G. A.， Symonds P.， Clin. Oncol.， 2016， 28（4）， 231—236
[4]	Xu Y.， Kang J. J.， Yuan J. H.， Sustainability， 2018， 10（6）， 2086
[5]	Kurudirek M.， Nucl. Eng. Des.， 2014， 280， 440—448
[6]	Levet A.， Kavaz E.， Özdemir Y.， J. Alloy. Compd.， 2020， 819， 152946
[7]	Gomaa H. M.， Sayyed M. I.， Tekin H. O.， Lakshminarayana G.， El⁃Dosokey A. H.， Physica B， 2019， 567， 109—112
[8]	Katoh Y.， Snead L. L.， Szlufarska I.， Weber W. J.， Curr. Opin. Solid St. M.， 2012， 16（3）， 143—152
[9]	Irim S. G.， Wis A. A.， Keskin M. A.， Baykara O.， Ozkoc G.， Avci A.， Dogru M.， Karakoç M.， Radiat. Phys. Chem.， 2018， 144， 434—443
[10]	Nambiar S.， Yeow J. T. W.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2012， 4（11）， 5717—5726
[11]	Jing H.， Geng L. Y.， Ling Y. Q.， Luo Y. F.， Liang M.， Heng Z. G.， Zou H. W.， Pan X. Q.， Wu Y.， Qiu S. Y.， Qian R. L.， Ind. Eng. Chem. Res.， 2025， 64（25）， 12500—12511
[12]	Wang H. Q.， Huang Q. Y.， Zhai Y. T.， Polymers， 2022， 14（3）， 638
[13]	Li R.， Gu Y. Z.， Wang Y. D.， Yang Z. J.， Li M.， Zhang Z. G.， Mater. Res. Express， 2017， 4（3）， 0350354
[14]	Li X. M.， Wu J. Y.， Tang C. Y.， He Z. K.， Yuan P.， Sun Y.， Lau W. M.， Zhang K.， Mei J.， Huang Y. H.， Compos. Part B⁃Eng.， 2019， 159， 355—361
[15]	Adeli R.， Shirmardi S. P.， Ahmadi S. J.， Radiat. Phys. Chem.， 2016， 127， 140—146
[16]	Singh V. P.， Badiger N. M.， Ann. Nucl. Energy， 2014， 64， 301—310
[17]	Wu Y.， Zhang Q. P.， Zhou D.， Zhou Y. L.， Zheng J.， J. Alloy. Compd.， 2017， 727， 1027—1035
[18]	Kumar A.， Kumar A.， Cabral⁃Pinto M. M. S.， Chaturvedi A. K.， Shabnam A. A.， Subrahmanyam G.， Mondal R.， Gupta D. K.， Malyan S. K.， Kumar S. S.， Khan S. A.， Yadav K. K.， Int. J. Env. Res. Pub. He.， 2020， 17（7）， 2179
[19]	Kinno M.， Kimura K.， Ishikawa T.， Miura T.， Ishihama S.， Hayasaka N.， Nakamura T.， J. Nucl. Sci. Technol.， 2002， 39（3）， 215—225
[20]	Saudi H. A.， Abd⁃Allah W. M.， Shaaban K. S.， J. Mater. Sci⁃Mater. El.， 2020， 31（9）， 6963—6976
[21]	El⁃Khayatt A. M.， Saudi H. A.， AlRowis N. H.， Sustainability， 2023， 15（12）， 9245
[22]	Madak Z.， Oto B.， Kavaz E.， Çakar N.， J. Aust. Ceram. Soc.， 2025
[23]	Huo Z. P.， Lu Y. D.， Zhang H.， Zhong G. Q.， Compos. Sci. Technol.， 2024， 257， 110827
[24]	Lu Y. D.， Preparation and Properties of Micro⁃nano Rare Earth Oxide Fillers Reinforced HDPE Neutron and Gamma Composite Shielding Materials， University of Science and Technology of China， Hefei， 2024
	鲁义东. 微纳稀土氧化物填料增强HDPE中子伽马复合屏蔽材料的制备及性能研究，合肥：中国科学技术大学， 2024
[25]	Lu Y. D.， Huo Z. P.， Zhang H.， Zhong G. Q.， Chem. J. Chinese Universities， 2024， 45（9）， 20240142
	鲁义东，霍志鹏，张宏，钟国强. 高等学校化学学报， 2024， 45（9）， 20240142
[26]	Abutalib M. M.， Yahia I. S.， Mat. Sci. Eng. C⁃Mater.， 2017， 78， 1093—1100
[27]	Alfryyan N.， Alrowaili Z. A.， Alomairy S.， Nabil I. M.， Al⁃Buriahi M. S.， Silicon， 2023， 15（18）， 8031—8043
[28]	Hegazy H. H.， Al⁃Buriahi M. S.， Alresheedi F.， El⁃Agawany F. I.， Sriwunkum C.， Neffati R.， Rammah Y. S.， Ceram. Int.， 2021， 47（2）， 2772—2780
[29]	Boukhris I.， Kebaili I.， Al⁃Buriahi M. S.， Alalawi A.， Abouhaswa A. S.， Tonguc B.， Ceram. Int.， 2020， 46（15）， 24435—24442
[30]	Koroleva M. Y.， Yurtov E. V.， Russ. Chem. Rev.， 2021， 90（3）， 293—323
[31]	Semaan P.， Zahran A.， Schlapp⁃Hackl I.， Tehrani⁃Bagha A. R.， Mustapha S.， J. Appl. Polym. Sci.， 2024， 141（14）， e55180
[32]	Liu W. Y.， Yi S. M.， Liu Z. L.， Mo Q. F.， Xian X. Q.， Ma L. Y.， Li Y. M.， Ind. Crop. Prod.， 2022， 189， 115842
[33]	Sousa R. A.， Reis R. L.， Cunha A. M.， Bevis M. J.， J. Mater. Sci⁃Mater M.， 2003， 14（6）， 475—487
[34]	Ratanawilai T.， Nakawirot K.， Deachsrijan A.， Homkhiew C.， Fiber. Polym.， 2014， 15（10）， 2160—2168
[35]	Shah A. U. R.， Prabhakar M. N.， Wang H.， Song J. I.， Polym. Compos.， 2018， 39（7）， 2420—2430
[36]	Huo Z. P.， Lu Y. D.， Chen Z. Y.， Zhang J.， Zhang H.， Zhong G. Q.， Ceram. Int.， 2025， 51（2）， 2360—2372
[37]	Mahmoud M. E.， El⁃Khatib A. M.， El⁃Sharkawy R. M.， Rashad A. R.， Badawi M. S.， Gepreel M. A.， J. Appl. Polym. Sci.， 2019， 136（31）， 47812
[38]	An N.， Zhu Y.， Wang X.， Li Y.， Liu T.， Fang X.， Lu Z.， Yang B.， Sun J.， CCS Chemistry， 2023， 5（10）， 2312—2323
[39]	Celebi H.， Duran S.， Dogan A.， Polym⁃Plast. Tech. Mat.， 2022， 61（11）， 1191—1203
[40]	Joseph T.， Uma S.， Philip J.， Sebastian M. T.， J. Mater. Sci⁃Mater. El.， 2012， 23（6）， 1243—1254
[41]	Duan C. J.， Chen H. H.， Yang X. X.， Zhao J. T.， Opt. Mater.， 2006， 28（8/9）， 956—961
[42]	Guo R.， Tang S. L.， Zhong S. B.， Luo L.， Cheng B. C.， Xiong Y. H.， Solid State Sci.， 2015， 50， 65—68
[43]	Liang J. Z.， Compos. Part B⁃Eng.， 2013， 51， 224—232
[44]	Mishra T. K.， Kumar A.， Verma V.， Pandey K. N.， Kumar V.， Compos. Sci. Technol.， 2012， 72（13）， 1627—1631
[45]	Pozdniakov A. V.， Lotfy A.， Qadir A.， Zolotorevskiy V. S.， Phys. Met. Metallogr.， 2016， 117（8）， 783—788
[46]	Vanuitert L. G.， Obryan H. M.， Guggenheim H. J.， Barns R. L.， Zydzik G.， Mater. Res. Bull.， 1977， 12（4）， 307—314
[47]	Schwarz J.， Ticha H.， Sn Appl. Sci.， 2021， 3（4）， 484
[48]	Dey T. K.， Tripathi M.， Thermochim. Acta， 2010， 502（1/2）， 35—42
[49]	Yu H. W.， Wang Z.， Xue Z. B.， Shang X. S.， Zhang Q. W.， Zhang L.， Li S. D.， Appl. Radiat. Isotopes.， 2022， 190， 110486
[50]	PinkauK.， Exp. Astron.， 2009， 25（1—3）， 157—171
[51]	Balasundar S.， Chandrasekaran S.， Subramanian， Venkatraman B.， Ann. Nucl. Energy， 2021， 153， 108083
[52]	Gultekin B.， Bulut F.， Yildiz H.， Us H.， Ogul H.， Nucl. Eng. Technol.， 2023， 55（12）， 4664—4670
[53]	Huo Z. P.， Chen Z. Y.， Lu Y. D.， Zhong G. Q.， Compos. Part A⁃Appl. S.， 2025， 197， 109011

Sample	Yield stress， σ_y/MPa	Tensile stress， σ_t/MPa	Young’s modulus/MPa	Elongation at break（%）
HDPE	16.5	16.7	639.2	134.3
B₄C/HDPE	23.9	23.4	1149.3	23.5
Eu₂O₃⁃S（20%）/B₄C/HDPE	21.3	21.0	1060.9	12.6
Eu₂O₃⁃C/B₄C/HDPE	20.4	20.3	1005.5	14.5
PbO/HDPE	18.9	17.6	809.3	46.1
Eu₂O₃⁃S（30%）/HDPE	19.6	19.6	1170.7	5.1

Sample	Yield stress， σ_y/MPa	Tensile stress， σ_t/MPa	Young’s modulus/MPa	Elongation at break（%）
HDPE	16.5	16.7	639.2	134.3
B₄C/HDPE	23.9	23.4	1149.3	23.5
Eu₂O₃⁃S（20%）/B₄C/HDPE	21.3	21.0	1060.9	12.6
Eu₂O₃⁃C/B₄C/HDPE	20.4	20.3	1005.5	14.5
PbO/HDPE	18.9	17.6	809.3	46.1
Eu₂O₃⁃S（30%）/HDPE	19.6	19.6	1170.7	5.1

Sample	S_n（%）	S_γ（%）	ρ/（g·cm^-3）	Σ/cm^-1	μ/cm^-1	μ_m/（cm²·g^-1）	HVL/cm
HDPE	37.82%	9.01%	0.931	0.317	0.063	0.068	11.0
B₄C/HDPE	38.39%	11.83%	1.113	0.323	0.084	0.075	8.25
Eu₂O₃⁃S/B₄C/HDPE	43.66%	13.48%	1.224	0.383	0.097	0.079	7.15
Eu₂O₃⁃C/B₄C/HDPE	39.55%	12.47%	1.248	0.336	0.089	0.071	7.79
PbO/HDPE	38.84%	15.78%	1.221	0.328	0.114	0.516	6.08

Sample	S_n（%）	S_γ（%）	ρ/（g·cm^-3）	Σ/cm^-1	μ/cm^-1	μ_m/（cm²·g^-1）	HVL/cm
HDPE	37.82%	9.01%	0.931	0.317	0.063	0.068	11.0
B₄C/HDPE	38.39%	11.83%	1.113	0.323	0.084	0.075	8.25
Eu₂O₃⁃S/B₄C/HDPE	43.66%	13.48%	1.224	0.383	0.097	0.079	7.15
Eu₂O₃⁃C/B₄C/HDPE	39.55%	12.47%	1.248	0.336	0.089	0.071	7.79
PbO/HDPE	38.84%	15.78%	1.221	0.328	0.114	0.516	6.08

Composite	Shielding field	Shielding performance	Ref
30%B/70%HDPE	Neutron	S_n=92%（²⁵²Cf）	［51］
10%Er₂O₃/90%ABS	γ⁃rays	HVL=8.0 cm（¹³⁷Cs）	［52］
20%PbWO₄/10%B₄C/70%HDPE	Neutron and γ⁃rays	Σ=0.224 cm^-1（²⁵²Cf）； HVL=6.48 cm（¹³⁷Cs）	［53］
20%Eu₂O₃⁃S/10%B₄C/70%HDPE	Neutron and γ⁃rays	Σ=0.383 cm^-1（²⁵²Cf）； HVL=7.15 cm（¹³⁷Cs）	This work

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[1]	曹欣鹏, 孟晴, 戴浩宇, 江雷. 三维Si₃N₄-BN陶瓷框架的原位燃烧合成以增强环氧复合材料导热性[J]. 高等学校化学学报, 2026, 47(3): 20250360.
[2]	屈开儒, 郭绿洲, 王文彬, 颜徐州, 曹学正, 杨振忠. 环状聚合物的可规模化制备及功能化复合材料研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2026, 47(1): 20250212.
[3]	孙薇, 李福森, 韩存鑫, 邓月, 魏文林, 李冰, 时东方. 光催化法制备GO@Au纳米复合材料及其抗菌性能[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(3): 20240461.
[4]	解卓学, 寇艳, 史全, 田颖. 硅胶废料复合相变材料的合成及控温性能[J]. 高等学校化学学报, 2025, 46(2): 20240372.
[5]	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[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(9): 20240142.
[6]	李世宣, 蒙化, 尹学虎, 易锦飞, 马丽红, 张艳丽, 王红斌, 杨文荣, 庞鹏飞. 基于石墨烯/金纳米粒子/碳化钛复合材料构建双室酶生物燃料电池自供能葡萄糖生物传感器[J]. 高等学校化学学报, 2024, 45(12): 20240301.
[7]	钱浙濠, 王硕, 宗鑫, 蔡磊, 贺爱华. TBIR对天然橡胶纳米复合材料结构和性能的调控[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(8): 20230023.
[8]	贺汝涵, 黎浩, 韩方, 陈奥渊, 麦立强, 周亮. 锂离子电池硅基负极界面工程的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(5): 20220748.
[9]	张子文, 董明阳, 储瑶, 李蔚, 蔡以兵. 纳米银负载三聚氰胺泡沫基相变复合材料的一步法制备及结构与性能[J]. 高等学校化学学报, 2023, 44(12): 20230222.
[10]	赵盛, 霍志鹏, 钟国强, 张宏, 胡立群. 改性钆/硼/聚乙烯纳米复合材料的制备及对中子和伽马射线的屏蔽性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220039.
[11]	于鹏东, 关兴华, 王冬冬, 辛志荣, 石强, 殷敬华. 新型光、热双响应形状记忆聚合物的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220085.
[12]	赵君禹, 王春博, 王成杨, 张克, 丛冰, 杨岚, 赵晓刚, 陈春海. 导热膨胀石墨/聚醚酰亚胺复合材料的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(4): 20210800.
[13]	储瑶, 王烁, 张子诺, 王艺博, 蔡以兵. 铜粒子负载泡沫基相变复合材料的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210619.
[14]	李淑蓉, 王琳, 陈玉贞, 江海龙. 金属-有机框架材料在液相催化化学制氢中的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210575.
[15]	高晓乐, 王家信, 李志芳, 李艳春, 杨冬花. 复合材料NiO_x-ZSM-5的制备及微生物电解池催化析氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2886.