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

doi:10.7503/cjcu20250298

Abstract

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

CLC Number:

O614

TrendMD:

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

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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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