用于多射線輻射防護輕質復合材料成型的增材制造技術

供稿人：萬坤 李滌塵 曹毅 供稿單位：西安交通大學機械制造系統工程國家重點實驗室　

隨著核能技術的迅速發(fā)展，核能作為安全、清潔、低碳、剛能量密度的戰(zhàn)略能源，已經在發(fā)電、醫(yī)療、航空航天及海島極地等領域展現出較高的發(fā)展前景。然而，對于先后出現的美國三里島、前蘇聯切爾諾貝利和日本福島核電事故，人們對于核能在未來是否進一步有較好的發(fā)展仍然秉承一個謹慎的態(tài)度，如何實現輻射防護安全是目前亟需解決的關鍵問題。過去常采用水泥、鉛板、聚乙烯等材料建設反應堆屏蔽結構來保護人們的安全，但傳統結構重且建設周期長成本高，難以滿足現在越來越多的先進反應堆的要求。而輻射屏蔽復合材料具有密度小、價格廉等特點，尤其是高性能聚合物復合材料被證明在實現較高的力學性能、耐熱特性的同時，可以承受更強的輻射劑量，具有較好的屏蔽能力。同時搭配該輕質復合材料的增材制造技術，被認為是有望實現負責的屏蔽結構、一體化、易加工能力的有效方法。2021年，來自洛斯阿拉莫斯國家實驗室團隊，使用了油墨直寫（DIW）增材制造技術方法，實現了多射線屏蔽材料在聚合物樹脂當中的高含量填充和一體式成型，被認為是一項優(yōu)秀的柔性制造的輻射屏蔽應用范例。

圖1 油墨直寫（DIW）高含量填充的多射線屏蔽材料網格結構

實驗團隊采用了一種較新的DIW油墨，它不僅具備良好的抗輻照能力，而且可以較容易地改性并且實現高含量的輻射屏蔽材料填充。實驗中，采用了油墨采用了二苯基聚硅氧烷以及40%金屬Bi材料和60%10B粉組成。該團隊將其分別暴露于中子輻射和伽馬輻射當中，發(fā)現輻射暴露后的結構樣件的交聯密度和力學性能僅發(fā)生了輕微的變化。更重要的是，填充了多射線吸收劑的DIW成型樣本較未填充樣本（比如常見的商用聚硅油基DIW樹脂，SE1700）展現出更強的抗輻射能力，比如在較寬的中子能量范圍內展現出優(yōu)異的中子屏蔽性能。采用DIW制造方法是實現較高添加含量的柔性屏蔽體的應用首例，被證明是作為未來不僅在快速成型以及在長期輻照下的機械性能和屏蔽性能方面，是具備極高的發(fā)展?jié)摿Α?br />
參考文獻：
Sjta B , Tr B , Aml A , et al. Flexible 3D printed silicones for gamma and neutron radiation shielding[J]. Radiation Physics and Chemistry, 188.