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1、-i- UHMWPE 防辐射复合材料制备及性能研究 Preparation and Investigation of UHMWPE Compostite for Neutron Radiation Protection -ii- 毕业设计（论文）任务书 毕业设计（论文）题目：毕业设计（论文）题目： UHMWPE 防辐射复合材料制备及性能研究防辐射复合材料制备及性能研究 基本内容：基本内容： 试验背景试验背景 随着国防科研、放射性医学和核技术应用的不断发展，各种放射性射线被 广泛应用，射线对人体的伤害和对环境的破坏也被人类所认识。 课题研究内容课题研究内容 研究 UHMWPE 复合材料的成型工艺
2、、基体材料、增强材料及增强材料表 面处理工艺，制备出不同的硼化物和稀土氧化物质量组份的复合材料，并对其 基本性能进行测试。 实验原理及方法实验原理及方法 模压成型的方法 分析手段：分析手段： 红外光谱分析；力学性能测试；显微形貌；抗中子测试 毕业设计（论文）专题部分：毕业设计（论文）专题部分： 题目：题目： 基本内容：基本内容： 学生接受毕业设计（论文）题目日期学生接受毕业设计（论文）题目日期 第第 周周 指导教师签字：指导教师签字： -iii- 年年 月月 日日 -iv- 摘要 随着国防科研、放射性医学和核技术应用的不断发展，各种放射性射线被 广泛应用，射线对人体的伤害和对环境的破坏也逐渐被
3、人类所认识。 在能源短缺的当代，核能作为新兴能源具有很好的发展前景，而伴随中子 辐射产生的严重危害，其防护研究成为必然。聚合物防中子材料在国内外得到 了很快的发展。本文研究超高分子量聚乙烯基复合材料的成型工艺，并以具备 防中子能力的无机粉料作为填充物，制备具有抗中子能力的 UHMWPE 复合材 料。 采用压制-烧结-再压制法制备 UHMWPE 复合材料，预压制压力为 18MPa，保温温度为 1900.5h，最终压制压力为 45 MPa。为性能测试提供合 格的材料样品。 通过样品的红外谱图和材料的表面形貌照片，结果表明偶联剂改善了无机 粉料与 UHMWPE 之间的界面亲和力，使得无机粉料更好地分
4、布于有机物中。 在材料的力学性能方面，材料的抗拉伸性能随填料的含量增加而减少。而 硬度随填料的含量增加先提升后降低，并且在小于 60%的填料含量时相同填料 含量的样品材料 B4C 的硬度最高，在大于 60%的填料含量时 TiB2的硬度最高。 通过抗中子辐射性能测试，结果表明当 TiB2材料厚度达到 17mm 时复合材 料对中子的吸收达到 88%；通过数据模拟其厚度达到 30mm 时复合材料对中子 的吸收达到 100%；B4C 材料厚度 24mm 时复合材料对中子的吸收将达到 100%。通过对比分析 B4C/UHMWPE 复合材料的抗中子辐射能力大于 TiB2/UHMWPE 复合材料。 -v-
5、关键词：关键词：UHMWPE 复合材料，中子防护，改性 -vi- ABSTRACT With the development of defense research, radioactive medicine and application of nuclear technology, a variety of radioactive rays have been applied widely. However, human beings have been aware of the harm of radioactive rays to human and environment. As a
6、n emerging energy, nuclear has got a great promising development in recent days. However, the severe harm of neutron radiation should be taken serious and the protection from it should also be necessary. In foreign country, polymer material which is against neutron has been developed rapidly in and
7、out country. This thesis analyzes the forming process under the influence of UHMWPE composed materials on one hand, and on the other hand, this thesis focuses on how to get the UHMWPE composed materials which is against neutron, based on the inorganic powder as the infillings. The UHMWPE composed ma
8、terials should adopt the method of pressing - sintering repressing to supply it various qualified material samples, with the pressure for 18MPa, temperature for 1900.5h and final pressure 45MPa. From the infrared spectrum and surface topography of sample material, it can be fund that coupling agent
9、has improved the interface strong affinity between inorganic powder and UHMWPE. Thus, the inorganic powder distributes better in organic matter. On the mechanical properties of the material, the tensile properties of the material increases with the packing content decreased while rigidity changes fr
10、om increasing to decreasing with the influence of infilling content. At the same time, the rigidity of sample material B4C is higher than the same content with less than 60% while when it is more than 60%, the rigidity of TiB2 is the highest. From the test of neutron radiation resistance performance
11、, the result states clearly the take up of TiB2 material can reach 88% when its thickness reaches 17mm. The take up can reach 100% when the thickness of TiB2 material reaches 30mm while the thickness of B4C/UHMWPE composed materials is 24mm. Through the contrastive analysis, B4C/UHMWPE composed mate
12、rials has got higher neutron radiation -vii- resistance than TiB2/UHMWPE composed materials. Key words: UHMWPE Compostite, Neutron Radiation Protection, Modified -1- 目录 毕业设计（论文）任务书I UHMWPE 防辐射复合材料制备及性能研究 .I 摘要.II ABSTRACT .III 目录1 第 1 章 绪论4 1.1 课题提出背景 4 1.1.1 辐射概述.4 1.1.2 中子辐射概述.4 1.1.3 抗中子材料的研究现状.5
13、 1.2 复合材料 7 1.2.1 复合材料概述.7 1.2.2 聚合物基复合材料.7 1.3 超高分子量聚乙烯及其复合材料8 1.3.1 超高分子量聚乙烯的概述.8 1.3.2 超高分子量聚乙烯的合成方法.8 1.3.3 超高分子量聚乙烯的性能.8 1.3.4 超高分子量聚乙烯的改性.10 1.5 填料的简介.11 1.5.1 含硼填料.11 1.5.2 含稀土元素填料.11 -2- 1.6 本课题的主要工作内容.12 第 2 章 实验部分13 2.1 实验仪器、试剂及设备.13 2.1.1 主要化学试剂及原料.13 2.1.2 主要仪器与设备.13 2.2 超高分子量聚乙烯的成型加工方法.
14、14 2.3 无机填料的表面处理.14 2.3.1 表面处理技术.14 2.3.2 偶联剂的简介及作用.15 2.3.3 处理过程.16 2.3.4 处理效果检验方法.17 2.4 复合材料的制备.17 2.4.1 混料.17 2.4.2 成型过程.18 2.5 复合材料性能表征.21 2.5.1 红外光谱分析.21 2.5.2 体显微镜分析.21 2.5.3 力学性能分析.21 2.5.4 抗中子测试.22 2.6 本章小结.23 第 3 章 实验结果与讨论24 3.1 红外光谱分析.24 3.2 表面形貌.25 3.3 力学分析.28 -3- 3.3.1 拉伸测试.28 3.3.2 硬度分
15、析.33 3.4 抗中子辐射性能.36 3.5 本章小结.37 第 4 章 结论38 参考文献39 致谢42 附录43 -4- 第 1 章 绪论 1.1 课题提出背景 1.1.1 辐射概述 某些元素的不稳定原子核进行蜕变，放出 、 等射线，而自己变成 一种新原子，这种不稳定元素称为放射性元素。放射性元素有天然的(如锕、钍、 铀等)和人工的(钚、锔、钔等)之分。含放射性元素的物质即放射性物质。核辐 射可以使物质引起电离或激发，故称为电离辐射。电离辐射又分直接致电离辐 射和间接致电离辐射。直接致电离辐射包括 、质子等带电粒子。间接致 电离辐射包括光子（ 射线和 X 射线） 、中子等不带电粒子。 4
16、 种主要的电离辐射和物体相互作用的情况，即 粒子， 粒子， 射线 (包括 X 射线)和中子。 在辐射防护中，根据中子能量的高低，可以把中子分为慢中子(能量小于 5 Mev，其中能量为 0.025Mev 的称为热中子)，中能中子(其能量范围为 5100 Mev)，和快中子(0.1500 Mev)。3 种中子与物质的原子核相互作用过程基本上 可以分为两类:散射和吸收；散射又可以分为弹性散射和非弹性散射。慢中子与 原子核作用的主要形式是吸收；中能中子和快中子与物质作用的主要形式是弹 性散射。对于能量大于 10Mev 的快中子，以非弹性散射为主。 在上述的中子和物质的相互作用过程中，除了弹性散射之外，其余各种现 象均会产生次级辐射。在实际工作中，大多数情况遇到的是快中子，快中子与 轻物质发生弹性散射时，损失的能量要比与重物质作用时多得多。例如，当快 中子与氢核碰撞时，交给反冲质子的能量可以达到中子能量的一半。因此含氢 多的物质，像水和石蜡等均是屏蔽中子的最好材料，同时水和石蜡，由于
