近日，等離子體物理研究所聚變堆包層與安全研究中心的霍志鵬副研究員及其指導的碩士研究生陳左陽研制了一類微結構可調的PbWO4增強B4C/HDPE復合材料，通過精細調控PbWO4填料的微結構，實現了對中子和γ射線協同屏蔽性能的提升，并闡明了材料的微結構與熱、力學、輻射屏蔽性能及服役耐久性之間的關聯機制。相關研究成果發表在材料科學TOP期刊Composites Part A: Applied Science and Manufacturing上，并申請了1項發明專利。

隨著核能應用、放射治療及太空探索等領域的快速發展，輻射防護材料的需求日益增長。中子和γ射線是兩種常見的電離輻射，對人體和設備具有嚴重危害。傳統防護材料往往只能針對單一輻射類型，或存在力學性能不足、耐老化性能差等問題。如何開發兼具高效輻射屏蔽、優良力學性能及服役耐久性的復合屏蔽材料，成為當前研究的挑戰。

研究團隊通過調控反應參數，合成了不同微結構的具有規整形貌的PbWO4填料，并與形貌無規的商用填料對比，系統分析了填料微結構對復合材料各項性能的影響。PbWO4的結晶度和晶面生長優先度差異導致了不同的微結構的形成。其中，微米粗糙球PbWO4-III填料因其表面富含次級微結構，比表面積得到顯著提高。 高比表面積和均勻的粒徑分布，強化了填料與基體的界面相容性，使其具有最佳的熱穩定性和力學性能。此外，PbWO4晶體可通過WO42-基團中O和W原子之間的電荷轉移躍遷產生紫外吸收，增強了復合材料的抗紫外老化能力。Pb和W元素不但能高效吸收伽馬光子，而且在快中子能區的中子總截面高于B元素，而B元素對熱中子的吸收截面要高于Pb和W。因此，通過Pb、W和B元素的組合可實現對快、慢、熱中子和伽馬射線的協同屏蔽。而填料微結構的優化提升了材料與輻射粒子的相互作用概率，增強了PbWO4、B4C和HDPE的協同屏蔽效應。性能最優的微米粗糙球PbWO4III/B4C/HDPE復合材料在15cm的厚度下，對252Cf中子源和137Cs伽馬源的屏蔽率分別達到97.32 %和76.43 %，表現出最佳的中子總截面和線性衰減系數。

該研究通過PbWO?填料的微結構調控，實現了復合材料性能的定向優化，將PbWO4、B4C與HDPE結合，克服了傳統材料難以同時屏蔽寬能區中子和γ射線的局限性，為高性能輻射防護材料的設計提供了新思路。

該研究得到了安徽省生態環境科研項目、安徽省高校協同創新項目、聚變堆主機關鍵系統綜合研究設施和合肥綜合性國家科學中心能源研究院(安徽省能源實驗室)等項目的資助。

圖1.(a)微米紡錘PbWO4-I、(b)微米球PbWO4-II、(c)微米粗糙球PbWO4-III、(d)商用PbWO4的SEM圖像

圖2. PbWO4增強含硼聚乙烯復合材料的中子伽馬協同屏蔽機制示意圖

圖3. PbWO4增強含硼聚乙烯復合材料的實測中子(a)和伽馬射線衰減曲線(b)