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柔性低熔點(diǎn)輻射屏蔽材料：具有 GaInSnPbBi 高熵合金夾雜物的軟彈性體

分類：行業(yè)新聞
作者：王愷釗
來源：前沿液態(tài)金屬
發(fā)布時(shí)間：2023-03-22 20:34

【概要描述】該復(fù)合材料重量輕、彈性好、輻射屏蔽性能好。因此，它是一個(gè)最有前途的輻射屏蔽材料候選者之一，可用于各種應(yīng)用，尤其是在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

柔性低熔點(diǎn)輻射屏蔽材料：具有 GaInSnPbBi 高熵合金夾雜物的軟彈性體

分類：行業(yè)新聞
作者：王愷釗
來源：前沿液態(tài)金屬
發(fā)布時(shí)間：2023-03-22 20:34
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詳情

　　喜訊，昆明理工大學(xué)教授胡勁團(tuán)隊(duì)以鎵為基制備低熔點(diǎn)高熵合金，系統(tǒng)的闡述了以新型復(fù)合材料作為替代新一代的防輻射的經(jīng)濟(jì)和性能效益，推進(jìn)了防輻射材料的研發(fā)進(jìn)程，論文以封面文章形式(如下圖)發(fā)表于期刊《Advanced Science News》上，題為《Flexible Low-melting Point Radiation Shielding Materials ：Soft Elastomers with GaInSnBiPb High-Enteropy Alloy Inclusions》(Kaizhao W Jing H. 2021)，文章第一作者是昆明理工大學(xué)稀貴金屬研究中心博士王愷釗，通訊作者為胡勁教授。

柔性低熔點(diǎn)輻射屏蔽材料：具有 GaInSnPbBi 高熵合金夾雜物的軟彈性體

　　本文中制備了一種低熔點(diǎn)GaInSnPbBi高熵合金(LHEA)夾雜物的聚二甲基硅氧烷(PDMS)基軟彈性復(fù)合材料，以評(píng)估其輻射屏蔽性能。LHEA 由兩種不同的三組分共晶微結(jié)構(gòu)組成，它們以混合方式生長，形成復(fù)雜的共晶結(jié)構(gòu)。夾雜物具有與 PDMS 基體變形相匹配的優(yōu)異機(jī)械性能。為了評(píng)估屏蔽材料與光子的相互作用，MCNPX程序和XCOM程序用于確定LHEA/PDMS復(fù)合材料的屏蔽參數(shù)，如質(zhì)量衰減系數(shù)、線性衰減系數(shù)、半值層、十值層、平均自由程和有效原子序數(shù)。具有 50-vol% LHEA 的復(fù)合材料具有最佳的輻射屏蔽性能，已通過醫(yī)學(xué) X 射線成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。柔性輕質(zhì)復(fù)合材料的優(yōu)異屏蔽性能歸因于 LHEA 夾雜物的質(zhì)量衰減系數(shù)高于鉛。具有出色屏蔽性能的替代材料以克服鉛的限制非常重要，在輻射屏蔽替代品中，合金、復(fù)合材料和玻璃材料表現(xiàn)出良好的輻射屏蔽性能。但以往材料往往會(huì)使屏蔽設(shè)施體積龐大且不靈活。因此，需要一種更輕、更軟、更靈活的輻射屏蔽材料，尤其是在醫(yī)學(xué)診斷中。一些研究表明液態(tài)金屬提供了一種理想的解決方案：低熔點(diǎn) GaInSnZn 液態(tài)合金具有一定的輻射性X射線的屏蔽性能，且液態(tài)金屬的柔韌性克服了傳統(tǒng)材料的剛度。它是最有前途的輻射屏蔽替代材料之一，特別是對于醫(yī)療診斷 X 射線，Ga、In、Sn、Bi等低熔點(diǎn)金屬可以有效補(bǔ)償鉛的弱吸收區(qū)，提高對 X 射線的屏蔽效率。因此通過添加低熔點(diǎn)金屬元素，并通過吸收邊相互作用增強(qiáng)屏蔽性能，為設(shè)計(jì)更高屏蔽性能的高熵合金提供了新的概念。此外，聚合物可以有效地緩和中子，并且由于它們的低密度、靈活性、結(jié)構(gòu)一致性和良好的可加工性特別適合作為封裝材料，因此，將金屬填料封裝在聚合物基質(zhì)中是一種很有前途的輻射屏蔽方法。

圖1柔性低熔點(diǎn)輻射屏蔽材料：具有 GaInSnPbBi 高熵合金夾雜物的軟彈性

圖 2. a,b) GaInSnPbBi 高熵合金的SEM 背散射電子圖像，c-g) (b) 中區(qū)域的Ga、In、Sn、Pb和 Bi 元素圖，h) XRD 分析GaInSnPbBi合金，i) GaInSnPbBi 合金的DSC 輪廓，以及 j) GaInSnPbBi 合金圓柱體的照片

圖 3. A) LHEA/PDMS 微結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微鏡圖像，15–50 vol-% LHEA 摻雜，B) LHEA 分散在PDMS 中的 SEM 圖像，C) 復(fù)合材料的EDS 元素圖，D) 復(fù)合材料的 XRD 圖, E) LHEAPDMS 復(fù)合材料的 FT-IR 光譜，和F) LHEAPDMS 復(fù)合材料的靈活性

圖 4. a) MCNPX 模擬的3D 視圖，b)u m樣品，a) 0.015 到 15 MeV 的光子能量范圍，b)在 0.0593、0.0691 MeV)，c)LHEA/PDMS復(fù)合材料的LAC、HVL、TVL 和MFP值，d)根據(jù)光子能量的樣品的有效原子序數(shù)，以及e)具有鎢靶的樣品的醫(yī)學(xué)X射線對比成像實(shí)驗(yàn)

　　本文通過真空感應(yīng)熔煉制備了一種低熔點(diǎn) GaInSnPbBi 高熵合金，作為輻射屏蔽復(fù)合材料的夾雜物。通過 XRD、SEM、EDS和 DSC 研究了 GaInSnPbBi 合金的顯微組織形態(tài)、相組成、熔點(diǎn)和相變潛熱。該合金通過兩種共晶組織的混合生長形成了復(fù)雜的共晶組織。由Pb固溶體相和InBi相形成熔點(diǎn)為51.4℃的InPbBi三元共晶組織。GaInSn形成了另一種低熔點(diǎn) (18.9 ℃) 三元共晶微結(jié)構(gòu)。此外，低熔點(diǎn)金屬可以作為固溶體和金屬間化合物共存于合金體系中。隨后，使用 MCNPX 和XCOM 程序在 0.015-15 MeV 的能量范圍內(nèi)系統(tǒng)地評(píng)估了純合金和 15、20、25、35和 50 vol-% LHEA 摻雜的PDMS 柔性復(fù)合材料的屏蔽性能。獲得樣品的u m、LAC、HVL、TVL、MFP和Zeff進(jìn)一步用于確定輻射屏蔽性能。純 GaInSnPbBi 合金具有比Pb 更高的質(zhì)量衰減系數(shù)。對于 LHEA/PDMS 復(fù)合材料，u m 和Z eff隨著光子能量的增加而降低，隨著金屬夾雜物含量的增加而改善。50-vol%-LHEA 摻雜的PDMS 樣品對光子具有最佳衰減性能。醫(yī)學(xué) X 射線對比成像驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果。該復(fù)合材料重量輕、彈性好、輻射屏蔽性能好。因此，它是一個(gè)最有前途的輻射屏蔽材料候選者之一，可用于各種應(yīng)用，尤其是在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

文稿整理：楊志恒鄧華銘

編輯：高翔

責(zé)編：王彧晗

原文鏈接:https://doi.org/10.1002/ente.202170091

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