碳化硼聚四氟乙烯新型中子吸收复合材料的制备及性能研究

Preparation and Properties of B4C/PTFE Neutron Absorbing Composites
Lei Cao1,2, Yubin Ke2*, Juzhou Tao2, Huiling Du1*, Xudong Gu3, Lin Zhu4
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College of Materials Science and Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an Shaanxi Division of Neutron Science, Dongguan Neutron Science Center, Dongguan Guangdong 3 School of Physical Sciences, University of Science and Technology of China, Hefei Anhui 4 School of Nuclear Science and Technology, University of South China, Hengyang Hunan
DOI: 10.12677/ms.2018.86090 763 材料科学
曹磊 等
工艺复杂、能耗高、成本昂贵。此外，加工性能很差，制品脆性很大，加工过程中容易碎裂也限制了碳 化硼制品的广泛使用。 为实现 B4C 的致密烧结，一般使用超细粉末，并采用热压、热等静压或近年发展起来的放电等离子 烧结(缩写 SPS)等技术， 在 2000℃以上烧结[7] [10]。 此外， 研究者通过在 B4C 粉末中添加少量烧结助剂， 在 1600℃以上实现了致密烧结[11] [12]。作者所在课题组也报道了含有少量环氧的粘结碳化硼中子吸收 材料[3] [13]。 另一方面，研究者们也开展了各类 B4C 基复合材料的研究，主要包括：1) B4C/高分子复合材料，例 如 B4C/聚乙烯(PE)、B4C/聚丙烯(PP)纤维、B4C/橡胶等[14]-[19]；2) B4C/金属复合材料，例如硼钢、硼铝 合金等[10] [20] [21]；3) B4C/无机非金属材料，例如 B4C/SiC、B4C/BN、B4C/TiB2 等[22] [23] [24] [25]。 但是，在上述材料中，B4C/高分子复合材料中一般含有大量的氢元素，非弹性散射背底较大；B4C/金属 复合材料中 B4C 的含量较低(小于 35 wt%)，对中子的吸收能力较弱；B4C/无机非金属复合材料的制备仍 需要很高的烧结温度和复杂的工艺。因此，亟需开发出一种低散射背底，力学和加工性能良好，且制备 工艺简单，便于大规模推广的 B4C 基中子吸收材料。 本文利用聚四氟乙烯(PTFE)树脂不含氢元素，熔点较低(327℃)、吸水率极小的特点[26]，研制出了 碳化硼/聚四氟乙烯新型中子吸收复合材料。该复合材料可在 380℃下实现常压致密烧结。对烧结过程和 相组成的观测表明，烧结体为纯 B4C 和 PTFE 双相复合材料，其具有优异的力学、加工性能和良好的防 水性能。 中子束流测试和 MCNPX 计算模拟结果均表明此新型无氢复合材料具有优良的慢中子吸收能力。
Open Access
1. 引言
中子是人类探索物质微观世界的有力手段，不带电、具有磁矩、穿透力强、能分辨轻元素、同位素 和近邻元素、且对样品无破坏性的特点使得中子探测技术在生命科学、国家能源、环境和新材料等研究 领域有着重要作用。在利用中子作为探测工具的同时，也需要对中子进行吸收屏蔽，以保证人员、设备 的安全，同时这也是提高设备性能的要求。例如在中子探测技术领域，国内外的反应堆和散裂中子源上 都建设或规划了各类不同类型的用于微观结构探测的中子散射谱仪[1] [2] [3]。 在各类谱仪的设计建造中， 为提高信噪比，降低不需要的杂散中子所造成的谱仪的本底，需要在束线周围使用大量的中子吸收材料 [3]。而对于中子探测器这些特殊的设备，其四周的屏蔽材料要求含有尽可能少的易产生感生辐射的活化 元素和非弹性中子散射截面较大的元素。在常见元素中，镍(Ni)、钴(Co)、铜(Cu)、锰(Mn)等属于易活化 元素，而具有大非弹性中子散射截面的最典型元素是氢(H)元素。因此，在新型低散射背底中子吸收材料 的研制中应尽可能少的使用或不使用这两类元素。 在慢中子吸收屏蔽材料中， 相对廉价且性质稳定的硼(B)元素一直是人源自文库的首选[4]。 在各类含 B 化合 物中，碳化硼(B4C)的 B 元素含量最高，达到 78.28 wt%。B4C 密度仅 2.52 g/cm3，慢中子吸收截面却高达 600 barn，而且吸收后没有强的 γ 射线二次辐射(约 0.5 MeV)，易于防护[5]。因此，传统的核工业领域使 用较多的中子吸收材料就是碳化硼，如用作核反应堆的调节棒、控制棒、屏蔽棒等[6] [7] [8] [9]。然而， B4C 中 C、B 的原子半径接近，电负性相差很小，形成比例高达 93.94%的共价键，导致其致密化烧结极 其困难。普通 B4C 粉末常压下即使在 2250℃~2300℃烧结，也仅能获得 80%~87%的相对密度，而且制备
Keywords
Composite Materials, Boron Carbide, Polytetrafluoroethylene (PTFE), Neutron Absorption
碳化硼/聚四氟乙烯新型中子吸收复合材料的制 备及性能研究
曹
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磊1,2，柯于斌2*，陶举洲2，杜慧玲1*，顾旭东3，朱 林4
Material Sciences 材料科学, 2018, 8(6), 762-774 Published Online June 2018 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/ms https://doi.org/10.12677/ms.2018.86090
曹磊 等
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中国科学技术大学物理学院，安徽 合肥 南华大学核科学技术学院，湖南 衡阳
收稿日期：2018年5月15日；录用日期：2018年5月29日；发布日期：2018年6月21日
摘
要
采用低温液相烧结法制备了碳化硼(B4C)/聚四氟乙烯(PTFE)新型无氢中子吸收复合材料，在380℃下实 现了致密烧结。通过同步热分析仪(TG-DSC)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等对复合材料 的烧结过程、结构组成和微观形貌进行了分析。此外，本文研究了B4C含量变化对样品力学性能和中子 吸收能力的影响。研究结果表明：随着复合材料中B4C含量的降低，其相对密度和冲击韧性逐渐增大； 硬度逐渐减小。复合材料中子吸收能力的中子输运蒙卡模拟计算(MCNPX)结果表明，随着B4C含量的减 少，其慢中子吸收能力逐渐降低。在所研究的复合材料中，当B4C含量为70 wt%，厚度为5 mm时，其 对1Å波长中子的透射率为2.45 × 10−6，可满足中子散射谱仪束线吸收材料的通常应用要求。
2. 实验部分
2.1. 复合材料的制备
实验选用的原料为：牡丹江金钢钻碳化硼有限公司生产的 W28 型 B4C 粉末(纯度大于 95%)和浙江巨 化股份有限公司 JF-4TM 型号的 PTFE 悬浮细粉树脂。 将预先按一定比例称量好的料在长沙芈玲仪器设备 有限公司的 YXQM-0.4 L 型球磨机中球磨，球磨时间为 0.5 h，球料比为 2:1，球磨速度为 180 r/min，然 后在合肥科晶材料技术有限公司的 YLJ-24T 型压力机下加压 10 MPa 制成直径为 19.05 mm、高 3~4 mm 的圆柱和 55 × 10 × 7 mm 的长条试样，保压 1 min，在洛阳炬星窑炉有限公司的 GWL-1400XB 型电炉中 烧结，最高烧结温度为 380℃，200℃以下升温速率为 80℃/h，200℃以上升温速率为 50℃/h，保温 4 h， 后随炉自然冷却至室温。表 1 为 B4C/PTFE 复合材料的成分表。
关键词
复合材料，碳化硼，聚四氟乙烯(PTFE)，中子吸收材料
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西安科技大学材料科学与工程学院，陕西 西安 东莞中子科学中心中子科学部，广东 东莞
通讯作者。
文章引用: 曹磊, 柯于斌, 陶举洲, 杜慧玲, 顾旭东, 朱林. 碳化硼/聚四氟乙烯新型中子吸收复合材料的制备及性能 研究[J]. 材料科学, 2018, 8(6): 762-774. DOI: 10.12677/ms.2018.86090
Table 1. B4C/PTFE composite composition (wt%) 表 1. B4C/PTFE 复合材料成分(质量分数/%)
2.2. 材料表征
2.2.1. 密度、形貌、相结构及力学性能等测试 密度和显气孔率使用基于阿基米德原理的密度仪(Dahometer-DE-120M 中国)测试；样品的质量和热 转变使用同步热分析仪(TA Instruments-SDT-Q600 美国)测量； 采用扫描电子显微镜(Quanta-FEG-250 美国)
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Received: May 15 , 2018; accepted: May 29 , 2018; published: Jun. 21 , 2018
Abstract
Boron carbide (B4C)/polytetrafluoroethylene (PTFE) neutron absorbing composite materials were prepared by liquid phase sintering method at 380˚C. The themogravimetry-differential scanning calorimetry (TG-DSC) was adopted to characterize the sintering process while X-ray diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM) techniques were used to investigate the phase constitution and microstructure of the composites. In addition, the influence of B4C content on the mechanical and neutron absorbing properties of the composites was tested. Results indicate that the relative density and impact toughness gradually increase while the hardness drops with decreasing B4C content. Lowering the B4C content however reduces neutron absorption capacity, as confirmed by the MCNPX simulations. The transmissivity of B4C/PTFE composite is 2.45 × 10−6 for 1Å neutrons through a 5 mm-thick sample with 70 wt% B4C content. This hydrogen-free composite is a suitable neutron absorber for beam line shielding purposes.