鄭玉龍 潘昕怡 熊厚華 曾正魁 杜紀(jì)富 陳志遠(yuǎn)

納米Y2O3/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料輻射防護(hù)性能及正電子壽命研究

鄭玉龍 潘昕怡 熊厚華 曾正魁 杜紀(jì)富 陳志遠(yuǎn)

（湖北科技學(xué)院 核技術(shù)與化學(xué)生物學(xué)院 輻射化學(xué)與功能材料湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 咸寧 437000）

傳統(tǒng)的屏蔽X/γ射線材料一般為鉛或含鉛材料，存在有毒、質(zhì)量重、不易成型、價(jià)格較高等缺點(diǎn)，而高分子復(fù)合材料被認(rèn)為是未來(lái)能夠有效防護(hù)核輻射的新型材料。環(huán)氧樹(shù)脂（Epoxy Resin，EP）作為基材具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如耐腐蝕、力學(xué)性能好、耐磨性強(qiáng)、絕緣性優(yōu)良及耐輻照性較強(qiáng)等，稀土材料對(duì)20～88 keV能區(qū)的X/γ射線有比較好的屏蔽效果，能夠彌補(bǔ)鉛的弱吸收區(qū)，同時(shí)可規(guī)避鉛的毒性。為驗(yàn)證納米稀土三氧化二釔/環(huán)氧樹(shù)脂（Y2O3/EP）復(fù)合材料對(duì)X/γ射線的屏蔽性能，首先采用Y2O3填充到環(huán)氧樹(shù)脂中制備了不同氧化釔含量的Y2O3/EP復(fù)合材料。然后利用正電子壽命譜、X射線衍射、掃描電鏡研究了材料的微觀結(jié)構(gòu)，用熱重分析儀及差示掃描量熱儀測(cè)試了材料的熱穩(wěn)定性，用維氏硬度計(jì)及萬(wàn)能拉力機(jī)測(cè)試了材料的機(jī)械性能。最后利用蒙特卡羅程序?qū)悠返妮椛浞雷o(hù)性能進(jìn)行了模擬計(jì)算。研究結(jié)果表明：Y2O3填充到環(huán)氧樹(shù)脂中可提升復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性、硬度及楊氏模量，但明顯降低了抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率，建議Y2O3含量質(zhì)量百分?jǐn)?shù)不超過(guò)40%。在X/γ射線能量20～1 332 keV范圍內(nèi)，材料相同厚度時(shí)，40% Y2O3/EP復(fù)合材料的屏蔽效果為純鉛的2%～10%，相同質(zhì)量時(shí)，40% Y2O3/EP復(fù)合材料的屏蔽效果為純鉛的15%～66%。雖然Y2O3/EP復(fù)合材料屏蔽效果較純鉛的差，但在X/γ射線低能區(qū)可滿足屏蔽要求，具備替代鉛或含鉛材料作為輻射屏蔽材料的能力。

輻射防護(hù)，復(fù)合材料，屏蔽，稀土材料

隨著核技術(shù)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，人們接觸核輻射的機(jī)會(huì)越來(lái)越多，核輻射防護(hù)越來(lái)越受重視，且對(duì)屏蔽材料的綜合性能提出了更高的要求，如在材料的屏蔽效率、環(huán)保、耐溫、輕質(zhì)、機(jī)械性能等方面都需要考量［1］。X/γ射線在核電站、核醫(yī)學(xué)和工業(yè)探傷等工作中普遍存在，由于其具有較強(qiáng)的穿透性，如果防護(hù)不當(dāng)，很容易對(duì)相關(guān)人員造成健康危害。傳統(tǒng)防護(hù)X/γ射線的方法一般是采用高質(zhì)子材料（如鉛或含鉛材料）進(jìn)行射線屏蔽。然而含鉛材料存在著有毒、質(zhì)量重、不易成型、價(jià)格較高等缺點(diǎn)。另外，對(duì)于屏蔽X/γ射線而言，當(dāng)入射X/γ的能量恰好等于屏蔽材料內(nèi)殼層電子的結(jié)合能時(shí)，γ能量會(huì)被電子完全吸收，這一能量值稱為物質(zhì)的吸收邊。稀土元素由于其特殊的電子層結(jié)構(gòu)，其K層吸收邊比較低（20～63.3 keV）。鉛的K層吸收邊為88 keV，鉛的L層吸收邊為13 keV，但吸收γ的能力隨能量的增高而迅速減弱，越遠(yuǎn)離吸收邊屏蔽性能越差。因此，鉛對(duì)于能量在40～88 keV的γ的屏蔽優(yōu)勢(shì)不明顯。而稀土元素對(duì)20～88 keV能區(qū)的γ射線有比較好的屏蔽效果，恰好能彌補(bǔ)鉛的弱吸收區(qū)［2］。近年來(lái)，高分子復(fù)合材料在輻射防護(hù)應(yīng)用方面受到廣泛關(guān)注［2］，被認(rèn)為是未來(lái)能夠有效防護(hù)核輻射的新型材料［3］。

目前，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了諸多關(guān)于高分子復(fù)合材料在核輻射屏蔽方面的研究［1?4］，主要是在高分子基體材料中添加防護(hù)中子或γ的功能性填料而制備屏蔽復(fù)合材料?？梢杂米鬏椛浞雷o(hù)材料基體一般有環(huán)氧樹(shù)脂、聚酰亞胺、聚酯樹(shù)脂、聚乙烯和橡膠等。如，Abdo等［5］研究了鈦鐵礦/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在中子和γ射線衰減中的應(yīng)用；Joshi等［6］研究了環(huán)氧基γ屏蔽材料的輻射穩(wěn)定性；包建文等［7］開(kāi)展了環(huán)氧樹(shù)脂電子束輻射效應(yīng)研究；鐘志京等［8］開(kāi)展了127-環(huán)氧樹(shù)脂膠及其組分的輻射效應(yīng)研究；陳可平［9］開(kāi)展了環(huán)氧樹(shù)脂輻射老化的研究進(jìn)展；朱文剛［10］開(kāi)展了γ輻射對(duì)氮化硼/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料性能的影響；Okuno等［11］研究了硬硼鈣石/環(huán)氧樹(shù)脂的中子屏蔽材料；王鵬等［12］開(kāi)展了碳纖維增強(qiáng)B4C/環(huán)氧樹(shù)脂基中子屏蔽材料的力學(xué)性能優(yōu)化研究；胡琛等［13］研究了金屬有機(jī)骨架/環(huán)氧樹(shù)脂輻射屏蔽材料的增韌機(jī)理；Wu［14］研究了低溫絕熱系統(tǒng)用的新型耐輻射玻璃纖維/環(huán)氧復(fù)合材料；董宇等［15］對(duì)WO3/CeO2/環(huán)氧樹(shù)脂基輻射防護(hù)材料的制備及性能進(jìn)行了研究；董夢(mèng)格等［16］研究了環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)γ射線的屏蔽性能及耐輻照效應(yīng)；李江蘇等［17］對(duì)氧化釤/環(huán)氧樹(shù)脂與聚丙烯酸釤/環(huán)氧樹(shù)脂輻射防護(hù)材料性能進(jìn)行了研究；張瑜等［18］研究了聚丙烯酸鉛/環(huán)氧樹(shù)脂輻射防護(hù)材料性能；胡琛等［19］對(duì)MOF/聚酰亞胺基的中子屏蔽材料進(jìn)行了力學(xué)性能和屏蔽性能研究；Bobadilla-Sanchez等［20］研究了聚酯纖維和γ射線對(duì)CaCO3/硅砂/聚酯樹(shù)脂復(fù)合材料的性能影響；Mortazavi等［21］研究了用于中子屏蔽的高密度硼化聚乙烯納米復(fù)合材料；Toyen等［22］研究了屏蔽γ射線的金屬氧化物/天然橡膠復(fù)合材料?？勺鳛橛行pX/γ射線的填料一般為高質(zhì)子金屬或金屬氧化物顆粒，如鉛、鎢、鉍的金屬或氧化物顆粒［23］，以及稀土氧化物［24］等。已有研究表明，環(huán)氧樹(shù)脂作為基材具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如耐腐蝕、力學(xué)性能好、耐磨性強(qiáng)、絕緣性優(yōu)良及耐輻照性較強(qiáng)等［25］，因此在材料粘結(jié)、防腐、絕緣和防輻射等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。本研究將含稀土元素的Y2O3填充到環(huán)氧樹(shù)脂中制備得到Y(jié)2O3/EP復(fù)合材料，并對(duì)其微結(jié)構(gòu)及綜合性能進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1　樣品制備

樣品制備中所用到的原料有粒徑為40～60 nm的氧化釔（Y2O3）粉末、環(huán)氧樹(shù)脂E51、固化劑二乙烯三胺、丙酮、有機(jī)硅偶聯(lián)劑等。

實(shí)驗(yàn)中首先用偶聯(lián)劑對(duì)納米Y2O3粉末表面進(jìn)行處理，取20 g Y2O3粉末加入到50 mL丙酮中，取2 g有機(jī)硅偶聯(lián)劑加入混合液，先后超聲分散、磁力攪拌各30 min，將混合液靜置10 h后抽濾，再于80 ℃真空干燥24 h獲得經(jīng)有硅機(jī)偶聯(lián)劑表面處理的納米Y2O3粉末。

取經(jīng)過(guò)表面處理的Y2O3粉末0 g、1 g、2 g、3 g和4 g，分別加入到10 g環(huán)氧樹(shù)脂E51中制備含Y2O3質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為0%、10%、20%、30%和40%的樣品。制備時(shí)將混合物在40 ℃下磁力攪拌1 h，然后分別加入10.5 g固化劑二乙烯三胺，常溫?cái)嚢?0 min，真空脫泡后倒入樣品模具，在60 ℃下真空固化24 h獲得樣品，分別為純環(huán)氧樹(shù)脂（Pure EP）、10% Y2O3/EP、20% Y2O3/EP、30% Y2O3/EP和40% Y2O3/EP。

1.2　樣品結(jié)構(gòu)表征與測(cè)試

本實(shí)驗(yàn)采用6100型X射線衍射儀（日本島津）分析樣品物相，以Cu為靶產(chǎn)生的X射線源，管壓為40 kV，管流為30 mA，2角掃描范圍為20°～80°，掃描速度為10° min-1。采用VEGA 3 SBH型鎢絲燈掃描式電子顯微鏡（捷克泰思肯）對(duì)樣品進(jìn)行微觀形貌分析。采用時(shí)間分辨率為220 ps的快快符合系統(tǒng)測(cè)量正電子壽命譜?；疃葹?.55×105Bq的22Na正電子放射源被夾在兩個(gè)相同的樣品之間。計(jì)數(shù)率約為50 s-1，每個(gè)譜總計(jì)數(shù)為106。

熱穩(wěn)定性采用TG209 F3型熱重分析儀（德國(guó)耐馳）分析樣品隨溫度變化的失重情況，氮?dú)鈿夥罩幸?0 ℃?min-1的升溫速率進(jìn)行，從室溫升至700 ℃。采用DSC200 F3型差示掃描量熱儀（德國(guó)耐馳）分析樣品玻璃化溫度。

力學(xué)性能分析采用Tukon2500型自動(dòng)轉(zhuǎn)塔維氏硬度計(jì)測(cè)試了樣品的維氏硬度；按照國(guó)標(biāo)GB/T 2567—2008［26］要求，采用Instron 3369型萬(wàn)能拉力機(jī)在室溫下測(cè)試了樣品拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和楊氏模量。

1.3　屏蔽性能分析

利用成熟的中子γ輸運(yùn)軟件蒙特卡羅程序（Monte Carlo N Particle Transport Code Version 5，MCNP5）模擬計(jì)算了復(fù)合材料對(duì)窄束γ射線的屏蔽能力。計(jì)算模型縱剖面如圖1所示，計(jì)算時(shí)γ源放在鉛組成的腔室中，源到樣品之間及樣品到探測(cè)器之間設(shè)置的是準(zhǔn)直器。計(jì)算過(guò)程中，MCNP計(jì)算統(tǒng)計(jì)誤差均小于3%。

圖1　MCNP5計(jì)算屏蔽的結(jié)構(gòu)圖

2 結(jié)果與討論

2.1　 X射線衍射分析

如圖2所示，純環(huán)氧樹(shù)脂樣品的X射線衍射（X-ray Diffraction，XRD）曲線中無(wú)任何峰，可以看出，環(huán)氧樹(shù)脂屬于非晶聚合物。而Y2O3粉末與Y2O3/EP復(fù)合材料的XRD曲線的形狀完全一致，峰的位置相同，只是高度不同。峰的位置相同說(shuō)明，Y2O3在復(fù)合材料合成前后的晶型沒(méi)有發(fā)生變化，表明Y2O3未與環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)，只是物理混合在環(huán)氧樹(shù)脂中，峰的高度不同反應(yīng)樣品中Y2O3含量不同。

圖2　不同Y2O3含量樣品的XRD衍射譜

2.2　電鏡掃描

利用掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）對(duì)不同含量Y2O3的樣品斷面進(jìn)行了掃描，結(jié)果如圖3所示。可以看出純環(huán)氧樹(shù)脂樣品斷面成皺褶狀，而隨著Y2O3顆粒在樣品中占比越來(lái)越大，Y2O3顆粒團(tuán)聚的亮斑呈現(xiàn)越來(lái)越大的趨勢(shì)。

圖3　樣品材料SEM照片 (a) 純環(huán)氧樹(shù)脂，(b) 10% Y2O3/EP，(c) 20% Y2O3/EP，(d) 30% Y2O3/EP，(e) 40% Y2O3/EP

2.3　正電子壽命譜

為了定量分析Y2O3填充到環(huán)氧樹(shù)脂中樣品的微觀結(jié)構(gòu)，采用了正電子湮沒(méi)壽命譜（Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy，PALS）［27］，并通過(guò)計(jì)算機(jī)程序PATFIT［28］（正電子湮沒(méi)技術(shù)平方擬合程序）擬合測(cè)量結(jié)果，得到正電子壽命譜三個(gè)壽命分量，分別為1、2和3，其相對(duì)強(qiáng)度分別為1、2和3［27］。

在研究高分子材料時(shí)，一般通過(guò)分析第三壽命分量3，即正態(tài)電子偶素orthopositronium（o-Ps）來(lái)分析材料中自由體積空穴大小，通過(guò)o-Ps湮沒(méi)強(qiáng)度3分析材料中平均自由體積空穴相對(duì)數(shù)量。根據(jù)量子力學(xué)的一般原理，Tao和Eldrup等［29-30］提出了3與自由體積空穴的經(jīng)驗(yàn)公式，即：

式中：為自由體積的半徑；Δ為球勢(shì)阱內(nèi)表面電子層的厚度，對(duì)于高分子材料一般為0.165 6 nm［31］，利用此公式可以得到樣品中自由體積半徑的平均值。

自由體積分?jǐn)?shù)表示材料中自由體積在總體積中的占比，它是高分子材料中影響材料宏觀性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。由于正電子湮沒(méi)測(cè)量中3與材料中自由體積空穴的相對(duì)數(shù)量成正比［31］，自由體積分?jǐn)?shù)與3的關(guān)系為：

式中：C為比例常數(shù)，為自由體積空穴的體積。據(jù)此，可以得到所測(cè)樣品中自由體積分?jǐn)?shù)。用正電子湮沒(méi)技術(shù)測(cè)試不同樣品所得到的o-Ps湮沒(méi)壽命τ3及自由體積孔穴尺寸Vf結(jié)果如圖4（a）所示；o-Ps湮沒(méi)強(qiáng)度I3結(jié)果如圖4（b）所示；自由體積分?jǐn)?shù)結(jié)果如圖4（c）所示。

從圖4（a）可以看出，隨著樣品中Y2O3含量增加，o-Ps湮沒(méi)壽命3自由體積孔穴尺寸V先減小再增加，這主要是由于Y2O3添加到樣品中后占據(jù)了一部分自由體積，使得自由體積孔穴尺寸變小，但隨著含量的增加，顆粒團(tuán)聚變得嚴(yán)重，導(dǎo)致自由體積尺寸有所增大。圖4（b）和（c）結(jié)果表明，樣品中自由體積空穴的數(shù)量和自由體積分?jǐn)?shù)隨著Y2O3含量的增加而減少，這主要?dú)w功于Y2O3對(duì)自由體積的填充。

2.4　熱穩(wěn)定性分析

2.4.1熱重分析

圖5為樣品熱重曲線，可以看出，不管是純環(huán)氧樹(shù)脂還是摻Y(jié)2O3的環(huán)氧樹(shù)脂到了300 ℃才開(kāi)始分解，表明它們是熱穩(wěn)定性很好，可耐高溫，這主要是取決于環(huán)氧樹(shù)脂本身良好的耐溫特性。當(dāng)溫度升高到500 ℃、Y2O3含量在0%～40%的范圍內(nèi)時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料樣品重量分別降為原來(lái)的10%、18%、30%、40%和49%?？梢钥闯?，Y2O3的添加減緩了復(fù)合材料的熱解速率，增加了熱解后的剩余質(zhì)量，提高了材料熱穩(wěn)定性。

圖5　不同Y2O3含量樣品的熱重曲線

2.4.2玻璃化溫度

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（g）是材料玻璃態(tài)和橡膠態(tài)的分界點(diǎn)，它是聚合物的特征溫度之一。本研究中利用DSC（Differential Scanning Calorimeter）測(cè)試了不同含量Y2O3樣品的g，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，g隨著樣品中Y2O3含量而增加，即填充Y2O3到環(huán)氧樹(shù)脂中后提升了材料的熱學(xué)性能。這主要是因?yàn)閺?fù)合材料中填料的加入會(huì)減小樣品中自由體積，阻礙高分子鏈的熱運(yùn)動(dòng)，提升玻璃化溫度［32］。正電子湮沒(méi)分析結(jié)果也證實(shí)了樣品中平均自由體積分?jǐn)?shù)隨著Y2O3含量增加而減小。

圖6　不同Y2O3含量樣品的玻璃化溫度

2.5　力學(xué)性能分析

2.5.1維氏硬度

利用維氏硬度計(jì)對(duì)Y2O3/EP樣品進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7（a）所示?？梢钥闯?，樣品硬度隨著Y2O3填充量而增加，這主要是因?yàn)樘盍系木S氏硬度高于環(huán)氧樹(shù)脂E51，隨著樣品中剛性填料越來(lái)越多，Y2O3/EP樣品整體的維氏硬度也越來(lái)越高。維氏硬度從純環(huán)氧樹(shù)脂樣品的15.2 HV到含40% Y2O3復(fù)合材料樣品的20.6 HV，提升了35.5%。

2.5.2楊氏模量

楊氏模量的大小標(biāo)志了材料的剛性，楊氏模量越大，越不容易發(fā)生形變。對(duì)樣品進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，得到楊氏模量結(jié)果如圖7（b）所示，結(jié)果表明：隨著Y2O3填充量增加樣品楊氏模量大幅提高，這是由于填料的剛度高于環(huán)氧樹(shù)脂E51，隨著Y2O3含量增加樣品整體的剛度也越來(lái)越高。楊氏模量從純環(huán)氧樹(shù)脂樣品的5 157 MPa到含40% Y2O3復(fù)合材料樣品的8 578 MPa，提升了66.3%。

2.5.3拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率

室溫下對(duì)樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率結(jié)果如圖7（c）所示，結(jié)果表明樣品拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率均隨著樣品中隨著Y2O3含量增加而減小，特別是當(dāng)Y2O3含量到達(dá)40%后其抗拉強(qiáng)度急劇下降，拉伸強(qiáng)度從純環(huán)氧樹(shù)脂樣品的56.3 MPa到含40% Y2O3復(fù)合材料樣品的32.2 MPa，下降了42.8%；斷裂伸長(zhǎng)率從純環(huán)氧樹(shù)脂樣品的1.25%到含40% Y2O3復(fù)合材料樣品的0.37%，下降了70.4%。這主要是由于隨著Y2O3含量的增加，納米Y2O3粉末團(tuán)聚越來(lái)越嚴(yán)重導(dǎo)致的結(jié)果。因此在實(shí)際應(yīng)用中不宜填充過(guò)大比例的Y2O3，否則制備的復(fù)合材料韌性不足，容易脆斷。

圖7　維氏硬度(a)、楊氏模量(b)和室溫拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率(c)

2.6　屏蔽性能分析

本研究中利用MCNP5計(jì)算了純鉛（Pb）和Y2O3含量為10%～40%的Y2O3/EP復(fù)合材料等5種材料的屏蔽性能，分別計(jì)算了它們對(duì)不同能量X/γ射線的線性衰減系數(shù)（），并進(jìn)行了對(duì)比（純鉛是公認(rèn)的X/γ射線最佳屏蔽材料，也是具有大量可靠實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可查）。為了分析材料對(duì)常見(jiàn)X/γ射線能量的屏蔽性能，從10～1 332 keV取16個(gè)典型的X/γ射線能量點(diǎn)進(jìn)行模擬計(jì)算。計(jì)算中，不同Y2O3含量復(fù)合材料的元素組成及其密度如表1所示。

表1 不同Y2O3含量復(fù)合材料的元素組成及其密度

根據(jù)X/γ射線在物質(zhì)中的相互作用可知，其在材料中的衰減規(guī)律滿足指數(shù)衰減，可用式（3）表示：

式中：為X/γ射線穿過(guò)樣品厚度為時(shí)的探測(cè)器計(jì)數(shù)；0為X/γ射線穿過(guò)樣品厚度為0時(shí)（即無(wú)樣品時(shí)）的探測(cè)器計(jì)數(shù)；為線性衰減系數(shù)，cm-1，數(shù)值越大表明材料屏蔽射線能力越好；為樣品厚度，cm。將式（3）進(jìn)行變換可得式（4），可以看出，ln（/0）與厚度為線性關(guān)系。

為了驗(yàn)證模擬計(jì)算的正確性，計(jì)算了Y2O3含量為10%的復(fù)合材料在X/γ射線能量為10 keV、30 keV、50 keV、70 keV、300 keV、511 keV情況下，ln（/0）與厚度的變化關(guān)系，結(jié)果如圖8（a）所示，可看出ln（/0）與厚度具有很好的線性關(guān)系。另外計(jì)算了純鉛在X/γ射線能量為30 keV、40 keV、50 keV、60 keV、80 keV、200 keV、300 keV和400 keV情況下的線性衰減系數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［33］第16頁(yè)中查表結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，二者吻合很好，誤差在3%以內(nèi)，如圖8（b）所示，表明計(jì)算結(jié)果可靠。

圖8　10% Y2O3樣品對(duì)不同X/γ能量的計(jì)數(shù)率對(duì)數(shù)之比隨厚度變化(a)和純鉛線性衰減系數(shù)μ的計(jì)算值與文獻(xiàn)值比對(duì)(b)

為了評(píng)估不同Y2O3含量復(fù)合材料對(duì)X/γ射線的屏蔽效果，計(jì)算了不同厚度材料對(duì)不同X/γ射線能量的探測(cè)計(jì)數(shù)，并通過(guò)式（4）換算出線性衰減系數(shù)，結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明：Y2O3/EP復(fù)合材料對(duì)X/γ射線的線性衰減系數(shù)隨著Y2O3含量的增加而增大，且隨X/γ射線能量增加而急劇下降，但在20 keV處存在轉(zhuǎn)折峰，其中Y2O3含量為40%的復(fù)合材料在20 keV處線性衰減系數(shù)最大，為25.667，這主要是由于釔（Y）元素的K吸收邊在此能量處。結(jié)果表明：Y2O3含量每提高10%，其屏蔽性能提高約50%，且Y2O3/EP復(fù)合材料對(duì)屏蔽低能X/γ效果相對(duì)較好，特別是在20 keV附近。

圖9　不同Y2O3含量復(fù)合材料衰減系數(shù)隨X/γ能量的變化

為了對(duì)比Y2O3/EP復(fù)合材料與純Pb對(duì)X/γ射線的屏蔽效果，計(jì)算時(shí)選擇了Y2O3含量為40%的復(fù)合材料與純Pb結(jié)果進(jìn)行分析比較。根據(jù)式（4）計(jì)算出了40% Y2O3/EP和純Pb的線性衰減系數(shù)，其隨X/γ射線能量的變化如圖10所示。結(jié)果表明：Y2O3/EP復(fù)合材料和純Pb的線性衰減系數(shù)隨X/γ射線能量增加均急劇減小，且Y2O3/EP復(fù)合材料的衰減系數(shù)在各能區(qū)均要小于純Pb的衰減系數(shù)，Y2O3/EP復(fù)合材料的在低能區(qū)的屏蔽性能明顯較好。

圖10　40% Y2O3/EP和純Pb的線性衰減系數(shù)隨X/γ能量的變化

為了進(jìn)一步定量評(píng)估復(fù)合材料相對(duì)鉛的屏蔽性能，定義等效鉛厚度（d）和等效鉛質(zhì)量（m），即達(dá)到與Pb同樣屏蔽效果時(shí)，所需材料厚度或質(zhì)量是Pb相應(yīng)的倍數(shù)。等效鉛厚度或等效鉛質(zhì)量的數(shù)值越小說(shuō)明其在X/γ射線某能區(qū)內(nèi)的等效鉛屏蔽效果越好，可如下表示：

另外，根據(jù)線性衰減系數(shù)可以計(jì)算出屏蔽99% X/γ射線所需材料的厚度（表2）。其中能量為20 keV時(shí)，需要40% Y2O3/EP厚度為0.179 cm，需純鉛厚度為0.005 cm；能量為80 keV時(shí)，需要40% Y2O3/EP厚度為4.377 cm，需純鉛厚度為0.086 cm；能量為662 keV時(shí)，需要40% Y2O3/EP厚度為38.7 cm，需純鉛厚度為3.88 cm。雖然Y2O3/EP復(fù)合材料屏蔽效果不如純鉛，但在實(shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)增加復(fù)合材料的厚度來(lái)彌補(bǔ)其對(duì)射線的屏蔽能力，而且在X/γ射線能量小于80 keV時(shí)，需要40% Y2O3/EP材料厚度小于5 cm即可滿足屏蔽要求，這在實(shí)際應(yīng)用中是很容易實(shí)現(xiàn)的。

3 結(jié)語(yǔ)

表2 不同X/γ射線能量下40% Y2O3/EP和純Pb的屏蔽性能對(duì)比

本研究將納米氧化釔填充到環(huán)氧樹(shù)脂E51中制備了Y2O3/EP復(fù)合材料樣品，表征了其微觀結(jié)構(gòu)并測(cè)試了熱穩(wěn)定性及機(jī)械性能，模擬計(jì)算了樣品對(duì)γ射線的屏蔽性能。電鏡掃描結(jié)果表明，制備得到的Y2O3/EP復(fù)合材料隨著Y2O3含量的提高材料中粒子團(tuán)聚越來(lái)越明顯；正電子湮沒(méi)測(cè)試表明，材料中自由體積分?jǐn)?shù)越來(lái)越小；玻璃化溫度測(cè)試表明，Y2O3/EP復(fù)合材料隨著Y2O3含量的增加熱穩(wěn)定性有所提升；硬度及拉力測(cè)試表明，Y2O3/EP復(fù)合材料隨著Y2O3含量的增加樣品的硬度和楊氏模量均增加，但是抗拉強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率下降明顯；屏蔽模擬計(jì)算表明，Y2O3/EP復(fù)合材料對(duì)低能γ射線具有較好的屏蔽性能。綜合研究表明：Y2O3填充到環(huán)氧樹(shù)脂中可提升復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性、硬度和楊氏模量，但會(huì)降低材料韌性，建議制備的材料中Y2O3含量不宜過(guò)高，建議不超過(guò)40%。在X/γ射線能量20～1 332 keV內(nèi)，材料相同厚度時(shí)，40% Y2O3/EP復(fù)合材料的屏蔽效果為Pb的2%～10%，質(zhì)量相同時(shí)，Y2O3/EP （40）復(fù)合材料的屏蔽效果為Pb的15%～66%，雖然Y2O3/EP復(fù)合材料屏蔽效果較純鉛的差，但在X/γ射線低能區(qū)可滿足屏蔽要求，具備替代鉛或含鉛材料作為輻射屏蔽材料的能力。

作者貢獻(xiàn)聲明 鄭玉龍：樣品制備，DSC測(cè)試，拉伸測(cè)試，起草文章；潘昕怡：樣品制備，XRD測(cè)試，數(shù)據(jù)處理；熊厚華：論文整體設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，對(duì)文章作批評(píng)性審閱，研究經(jīng)費(fèi)支持；曾正魁：屏蔽性能模擬計(jì)算，文章修改；杜紀(jì)富：樣品電鏡掃描及硬度測(cè)試；陳志遠(yuǎn)：樣品正電子湮沒(méi)測(cè)試及數(shù)據(jù)分析。

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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

湖北省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(No.S202010927041)、湖北科技學(xué)院基金(No.BK201820)、湖北科技學(xué)院博士啟動(dòng)基金(No.BK202207)資助

鄭玉龍，男，2001年出生，現(xiàn)為湖北科技學(xué)院核工程與核技術(shù)專業(yè)本科生，研究領(lǐng)域?yàn)檩椛浞雷o(hù)材料

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

2021-12-15，

2022-03-16

TL77