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

doi:10.7503/cjcu20240142

Abstract

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

CLC Number:

O614

TrendMD:

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[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(9): 20240142.

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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

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

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

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

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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