用于多射线辐射防护轻质复合材料成型的增材制造技术

供稿人：万坤 李涤尘 曹毅 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室　

随着核能技术的迅速发展，核能作为安全、清洁、低碳、刚能量密度的战略能源，已经在发电、医疗、航空航天及海岛极地等领域展现出较高的发展前景。然而，对于先后出现的美国三里岛、前苏联切尔诺贝利和日本福岛核电事故，人们对于核能在未来是否进一步有较好的发展仍然秉承一个谨慎的态度，如何实现辐射防护安全是目前亟需解决的关键问题。过去常采用水泥、铅板、聚乙烯等材料建设反应堆屏蔽结构来保护人们的安全，但传统结构重且建设周期长成本高，难以满足现在越来越多的先进反应堆的要求。而辐射屏蔽复合材料具有密度小、价格廉等特点，尤其是高性能聚合物复合材料被证明在实现较高的力学性能、耐热特性的同时，可以承受更强的辐射剂量，具有较好的屏蔽能力。同时搭配该轻质复合材料的增材制造技术，被认为是有望实现负责的屏蔽结构、一体化、易加工能力的有效方法。2021年，来自洛斯阿拉莫斯国家实验室团队，使用了油墨直写（DIW）增材制造技术方法，实现了多射线屏蔽材料在聚合物树脂当中的高含量填充和一体式成型，被认为是一项优秀的柔性制造的辐射屏蔽应用范例。

图1 油墨直写（DIW）高含量填充的多射线屏蔽材料网格结构

实验团队采用了一种较新的DIW油墨，它不仅具备良好的抗辐照能力，而且可以较容易地改性并且实现高含量的辐射屏蔽材料填充。实验中，采用了油墨采用了二苯基聚硅氧烷以及40%金属Bi材料和60%10B粉组成。该团队将其分别暴露于中子辐射和伽马辐射当中，发现辐射暴露后的结构样件的交联密度和力学性能仅发生了轻微的变化。更重要的是，填充了多射线吸收剂的DIW成型样本较未填充样本（比如常见的商用聚硅油基DIW树脂，SE1700）展现出更强的抗辐射能力，比如在较宽的中子能量范围内展现出优异的中子屏蔽性能。采用DIW制造方法是实现较高添加含量的柔性屏蔽体的应用首例，被证明是作为未来不仅在快速成型以及在长期辐照下的机械性能和屏蔽性能方面，是具备极高的发展潜力。

参考文献：
Sjta B , Tr B , Aml A , et al. Flexible 3D printed silicones for gamma and neutron radiation shielding[J]. Radiation Physics and Chemistry, 188.