打破国外垄断，开发具有自主知识产权的环氧树脂基辐射防护材料

目前国内的核辐射防护设备主要依靠进口，运营成本高昂，开发具有自主知识产权，且能规模化制备具有更轻、更薄和更优异屏蔽性能的防护材料是研究的重点。

本文介绍了γ射线和中子射线的特性及屏蔽机理，阐述了具有γ射线防护功能、中子防护功能、中子伽马混合场防护功能的环氧树脂基复合材料的研究进展，展望了环氧树脂基屏蔽材料未来的发展与挑战。

发展安全高效的核电技术是中国调整优化现有能源结构，建立“清洁低碳、安全高效”现代能源体系的重要措施。

在此背景下，核能应用过程中所涉及的安全问题得到越来越广泛的关注。

核辐射是放射性物质的原子核发生能量转移和形态结构改变时所释放出的微观粒子流，这些射线具有一定的穿透性，能与其他物体的原子核发生反应，作用于人体上会造成不同程度的危害。

因此，做好核辐射的防护工作是确保核安全的关键。

传统的核辐射防护材料存在密度大、不便于移动等缺点，而聚合物基复合防护材料具有质地轻、密度可控、易加工成型等优点，是辐射防护材料未来发展的重点和热点。

聚合物基复合防护材料主要采用聚丙烯作为基体，但聚丙烯无法满足核电设备中高温部件及设施的使用需求。

环氧树脂具有优良的拉伸性能、热稳定性能、较高的稳定使用温度和尺寸稳定性；良好的耐腐蚀、耐中子和耐γ射线辐照等优点，可延长屏蔽材料的服役时间；富含氢元素，能够散射慢化中子。

因此，环氧树脂是辐射防护材料理想的聚合物基材，将其与屏蔽功能填料复合得到的辐射防护材料可广泛应用于核电站、核仪器和核装备的辐射防护。

γ射线和中子射线屏蔽机理

核能是原子核中的中子或质子通过核聚变或核裂变所释放出来的能量。

放射性核素具有不稳定的原子核，可以从核内部释放出高能的微观粒子流，这些微观粒子流可以激发物质产生电离，因此又被称为电离辐射。

核辐射主要包括α、β、γ、X和中子射线，不同射线对物体的辐射穿透能力也不同。

不同射线和中子的穿透能力示意

α和β射线分别是高速运转的氦原子核和电子，一般情况下无需多加防护。

X射线、中子和γ射线穿透能力较强，其辐射可使人的健康受到危害，严重时引起染色体突变或者细胞癌变等，在核电站建设或核能源开发过程中，主要考虑γ射线和中子的防护。

γ射线的屏蔽机理

γ射线是波长短于0.01 Å的电磁波，与物质相互作用时会产生光电效应、康普顿效应和电子对效应。

一般来说，光电效应和康普顿效应是同时存在的，当γ射线能量较高时，电子对效应较易发生。

低能γ射线通过高原子序数介质过程中，发生光电效应的几率较大；中能γ射线以康普顿效应为主；高能γ射线且高原子序数时，电子对效应起主要作用。

因此，γ射线屏蔽材料屏蔽效果的好坏主要依赖于屏蔽材料对γ光子的吸收和能量转化。

金属铅密度大且原子序数大，对γ射线有很好的屏蔽效果，是应用最早也是最广泛的防护材料，但基于环保需求，新型屏蔽材料日益受到广泛关注。

中子的屏蔽机理

中子本身不带电，只与原子核反应，具有很强的穿透力。

中子按所含能量的大小可分为快中子、中能中子和慢中子。中子与屏蔽材料的原子核发生作用的形式有弹性散射、非弹性散射和能量吸收。

慢中子与原子核发生反应主要以吸收为主；中能中子和快中子与原子核反应的主要形式为弹性散射；而对于能量大于10 MeV的快中子，发生的是非弹性散射。

中子在与材料原子核发生碰撞过程中被慢化和吸收，并伴随产生次级粒子，因此中子屏蔽材料在设计过程中主要考虑如何实现对快中子慢化以及对慢中子的吸收。

一般来说，可采用高原子序数的元素慢化快中子，用含氢较多的化合物或聚合物进一步慢化较快的中子，用能量较高但体积相近的硼、锂元素来实现对慢中子的吸收。

通过对上述材料的设计与组合可以得到具有屏蔽中子功能的辐射防护材料。

环氧树脂基辐射防护

材料研究进展

环氧树脂作为一种通用热固性树脂，具有良好的力学性能、耐高温性能和耐腐蚀性，能适应各种恶劣环境。

同时，环氧树脂含有丰富的氢元素，能对慢中子起到吸收作用。

环氧树脂的辐照稳定性

环氧树脂具有很好的辐照稳定性。

Eid等研究了环氧树脂/Pb3O4复合材料的辐照稳定性能，发现当Pb3O4含量为20%时，复合材料可以保持良好的力学性能。

Adeli等研究了环氧树脂的中子辐射防护特性，并与多种中子辐射防护材料进行了比较。

环氧树脂是很好的中子慢化剂，对快中子的衰减性能较好，并能降低作用过程中的二次辐射。

Adeli等研究了胺固化环氧树脂的中子辐照效应，在中子通量约为1013数量级（中子/cm2·s）条件下对环氧树脂辐照12 h后，环氧树脂的分子结构仍可以保持稳定。

这些研究工作表明环氧树脂具有很好的辐照稳定性，在辐射防护材料中具有较好的应用前景。

γ射线防护材料

环氧树脂作为基体可用于制备具有优异γ射线屏蔽性能的防护材料。

Chang等研究表明，当钨粉质量分数含量达80％时，材料的γ射线衰减系数由纯环氧树脂的0.08 cm-1增加至0.27 cm-1。

张亚丽发现，PbO加入环氧树脂后可提高材料对γ射线的屏蔽性能，能量在材料中的沉积主要取决于入射粒子的能量，对于一些低能的防护，可以根据实际用途合理调控填料含量，以兼顾材料的其他性能。

张红旭在碳纳米管表面修饰具有辐射防护功能的氧化钨（WO3）和氧化钐（Sm2O3）粒子，煅烧得到的WO3/碳纳米管/环氧树脂材料辐射防护性能要高于直接共混的WO3/碳纳米管/环氧树脂材料的辐射防护性能，在低能段的辐射防护性能提升效果尤为明显。

这些研究表明环氧树脂作为基体在制备高性能γ射线辐射防护材料方面的应用潜力。

对于环氧树脂基辐射防护材料来说，功能填料的尺寸对复合材料的辐射防护性能影响很大。

纳米粒子具有特殊的表面与界面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应，粒径达到纳米数量级的填料可赋予材料更优异的辐射防护性能。

张瑜等制备的聚丙烯酸铅纳米粒子/环氧树脂基防辐射材料，具有海岛双相结构，可作为低密度的辐射防护材料。

聚丙烯酸铅粒子以纳米级尺寸均匀分散，增大了复合材料与γ射线的反应截面，增强了材料屏蔽率。该材料可应用于航空航天辐射防护领域或电子元器件封装的辐射防护玻璃。

Li等以分散的微、纳米氧化钆（Gd2O3）颗粒为填料制备了环氧树脂基复合材料，指出纳米Gd2O3填充的复合材料的性能更为优异。

Dong等采用固化成型的方法制备了2种不同尺寸的WO3和环氧树脂复合样品，发现纳米WO3在环氧树脂基辐射屏蔽材料中的屏蔽效果优于微米WO3。

填料的种类对γ射线防护材料的性能也有很大影响。

Li等制备的含二氧化铒（Er2O3）的玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料，在31~80 keV的较低能量范围体现出较好的γ射线屏蔽性能。这种三相复合材料具有重量轻、力学性能高等优点，在辐射屏蔽结构中具有广阔的应用前景。

Mohammed研究了水泥、铝和铅填充的环氧聚合物屏蔽体对137Cs的屏蔽性能，发现线性衰减系数和累积系数均随样品厚度的增加而增大，且多种粉体填充的复合材料具有更好的屏蔽性能。

Zhang等以丙烯酸铅/Er2O3/环氧树脂（A层）和WO3/Er2O3/环氧树脂（B层）为主要原料制备了4种结构不同的多层复合材料，结果表明多层复合材料具有更好的低能量γ射线屏蔽能力。

由于γ射线屏蔽性能的测试实验存在较大风险，因此很多研究都是通过模拟计算分析来指导设计屏蔽材料，常用的有蒙特卡罗（MCNP）计算。

蒋丹枫对多种元素的γ射线防护性能进行了模拟计算，并对多种稀土元素的质量衰减系数进行了理论模拟，发现Gd和W的组合可以很好的屏蔽γ射线，其中W起到了屏蔽γ射线和慢化中子的双重作用，而Gd起到了吸收热中子和弥补W的γ射线弱吸收区的双重作用。

Malekie等研究了质量分数50%的WO3/E44环氧树脂复合材料在80 keV~1.33 MeV各种γ射线能下的辐射屏蔽特性，指出纳米粒子大小为50 nm的材料具有更好的γ射线衰减性能。

李江苏等用表面处理稀土材料Er2O3的方法制得了Er2O3/环氧树脂，并运用基于MCNP方法的EGSnrc程序模拟了射线在材料中的传输衰减过程，表明Er2O3的防护性能强于Pb。

中子防护材料

中子射线防护材料需兼具快中子慢化和慢中子吸收的功能，通常氢元素含量较高的材料具有慢化快中子的功能，而含硼元素的化合物可以吸收慢中子。

环氧树脂本身富含氢，因此碳化硼/环氧树脂复合材料是一种理想的中子防护材料。

Ruhollah等研究了碳化硼（B4C）颗粒尺寸对B4C/环氧树脂复合材料中子屏蔽性能的影响，发现降低B4C填料尺寸可提高复合材料的中子衰减系数。

陈飞达等研制了一种新型玻璃纤维/B4C/环氧树脂复合材料，材料厚度5 cm时中子透射率仅19.6%，并且样品具有高强度高模量，在核电站燃料储存方面有巨大应用潜力。

陈飞达等还基于MCNP设计并制备出一种高强度、低密度的玻璃纤维/B4C/环氧树脂复合材料，并证实了MCNP方法在中子屏蔽材料的优化设计中的可行性，为新型中子屏蔽材料的设计和制备提供了理论依据。

未经处理的B4C在环氧树脂中的分散较差，不利于复合材料屏蔽性能的提高。

Jun等通过超声分散法将B4C颗粒分散在环氧树脂中，得到了B4C分布更均匀、力学性能更好的B4C/环氧树脂中子屏蔽材料。

Rodrigues等采用硅烷偶联剂对B4C进行改性，提高了填料与环氧树脂的结合能力，改性B4C/环氧树脂材料的剪切强度较未改性前提高24%~56%。

Abenojar等对B4C做了增强处理，发现增强B4C/环氧树脂比氧化铝/环氧树脂具有较强的耐磨性。

此外，可以选择添加其他种类的填料来制备中子辐射防护材料。

Okuno等研制了一种以环氧树脂为基体，硬硼酸钙石为中子屏蔽功能填料的新型复合材料，测试了样品的屏蔽性能发现，此复合材料对中子的衰减系数明显优于添加了10%氧化硼的混凝土/聚乙烯的材料。

Büyükyıldız M等设计了钼粉/环氧树脂新型中子防护材料，与未添加钼粉的环氧树脂相比，新材料的等效剂量率衰减提高了约12%。

中子伽马混合场防护材料

对于核电站的工作人员来说，通常面临的是多种辐射叠加的复杂环境，因此防护材料的设计也应从实际出发，研制中子伽马混合场防护材料。

El-Sayed等研究了钛铁矿/环氧复合材料对中子和γ射线的衰减性能，发现添加80%钛铁矿的复合材料在500 mm厚度下具有更高效的热中子和γ射线衰减性能。

Korkut等制备了5种不同质量比例的铬铁渣/环氧树脂复合材料，结果表明，随着体系中铬铁渣含量的增加，材料的防辐射性能提高，此外80%的填料比性能最好。

El-Sarraf研究了钛铁矿/环氧树脂复合材料作为辐射防护材料和生物混凝土防护材料的可用性，分别通过MCNP方法和测试得到了快中子通量率和γ通量的理论值与计算值，两者结果一致。

Elmahroug等研究了K树脂、250WD树脂、普通树脂和环氧树脂4种树脂的γ射线和中子屏蔽性能，计算总衰减系数后得出250WD树脂比其他树脂更适合中子辐射屏蔽，而环氧树脂对γ射线的防护效果比其他树脂要好。

Canel等研究了添加不同比例的Fe、Bi、Ta和碳化物的环氧树脂基复合材料的辐射屏蔽性能，其中钽/环氧树脂样品的屏蔽性能最好，且所有研究样品的中子和γ屏蔽性能都较以往研究结果好。

Hu等对中子辐射和伽玛辐射屏蔽材料进行了优化设计，得到了一系列重量轻、结构紧凑、耐高温的屏蔽材料。

结论

考虑到实际应用需求，环氧树脂基辐射防护材料的发展还存在一些挑战。

首先，如何通过填料的增强改性进一步提高环氧树脂的力学性能，以解决防护材料耐久性的问题有待进一步研究。

其次，如何通过多种填料的协同作用和复合材料多层结构设计来提升防护材料的屏蔽性能也是未来需要关注的重点。

最后，国内目前对于环氧树脂基辐射屏蔽材料的制备仍需在实现规模化生产的基础上，提高实用性和各项性能指标，早日实现自主研发产品的标准化和系列化，打破国外对环氧树脂基屏蔽材料的生产和技术垄断，从而降低国内对辐射防护的投入成本，促进核电站建设和核能源应用的快速发展。

本文作者：张雅晖，张有为，杜中贺，曹可，陆永俊，王连才，刘平桂，张秀芹，马慧玲作者简介：张雅晖，北京服装学院材料设计与工程学院，实习研究员，研究方向为环氧树脂基复合材料；张有为（共同第一作者），中国航发北京航空材料研究院，高级工程师，研究方向为特种功能材料；马慧玲（通信作者），北京服装学院材料设计与工程学院，副教授，研究方向为功能复合材料。

论文全文发表于《科技导报》2022年第5期，原标题为《环氧树脂基辐射防护材料研究进展》，本文有删减，欢迎订阅查看

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