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柔性低熔點輻射屏蔽材料：具有 GaInSnPbBi 高熵合金夾雜物的軟彈性體
- 分類：行業新聞
- 作者：王愷釗
- 來源：前沿液態金屬
- 發布時間：2023-03-22 20:34
【概要描述】該復合材料重量輕、彈性好、輻射屏蔽性能好。因此，它是一個最有前途的輻射屏蔽材料候選者之一，可用于各種應用，尤其是在核醫學領域。
柔性低熔點輻射屏蔽材料：具有 GaInSnPbBi 高熵合金夾雜物的軟彈性體
【概要描述】該復合材料重量輕、彈性好、輻射屏蔽性能好。因此，它是一個最有前途的輻射屏蔽材料候選者之一，可用于各種應用，尤其是在核醫學領域。
- 分類：行業新聞
- 作者：王愷釗
- 來源：前沿液態金屬
- 發布時間：2023-03-22 20:34
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喜訊，昆明理工大學教授胡勁團隊以鎵為基制備低熔點高熵合金，系統的闡述了以新型復合材料作為替代新一代的防輻射的經濟和性能效益，推進了防輻射材料的研發進程，論文以封面文章形式(如下圖)發表于期刊《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稀貴金屬研究中心博士王愷釗，通訊作者為胡勁教授。
本文中制備了一種低熔點GaInSnPbBi高熵合金(LHEA)夾雜物的聚二甲基硅氧烷(PDMS)基軟彈性復合材料，以評估其輻射屏蔽性能。LHEA 由兩種不同的三組分共晶微結構組成，它們以混合方式生長，形成復雜的共晶結構。夾雜物具有與 PDMS 基體變形相匹配的優異機械性能。為了評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復合材料的屏蔽參數，如質量衰減系數、線性衰減系數、半值層、十值層、平均自由程和有效原子序數。具有 50-vol% LHEA 的復合材料具有最佳的輻射屏蔽性能，已通過醫學 X 射線成像實驗驗證。柔性輕質復合材料的優異屏蔽性能歸因于 LHEA 夾雜物的質量衰減系數高于鉛。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、復合材料和玻璃材料表現出良好的輻射屏蔽性能。但以往材料往往會使屏蔽設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，尤其是在醫學診斷中。一些研究表明液態金屬提供了一種理想的解決方案：低熔點 GaInSnZn 液態合金具有一定的輻射性X射線的屏蔽性能，且液態金屬的柔韌性克服了傳統材料的剛度。它是最有前途的輻射屏蔽替代材料之一，特別是對于醫療診斷 X 射線，Ga、In、Sn、Bi等低熔點金屬可以有效補償鉛的弱吸收區，提高對 X 射線的屏蔽效率。因此通過添加低熔點金屬元素，并通過吸收邊相互作用增強屏蔽性能，為設計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、結構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中是一種很有前途的輻射屏蔽方法。
圖1柔性低熔點輻射屏蔽材料：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 微結構的光學顯微鏡圖像，15–50 vol-% LHEA 摻雜，B) LHEA 分散在PDMS 中的 SEM 圖像，C) 復合材料的EDS 元素圖，D) 復合材料的 XRD 圖, E) LHEAPDMS 復合材料的 FT-IR 光譜，和F) LHEAPDMS 復合材料的靈活性
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復合材料的LAC、HVL、TVL 和MFP值，d)根據光子能量的樣品的有效原子序數，以及e)具有鎢靶的樣品的醫學X射線對比成像實驗
本文通過真空感應熔煉制備了一種低熔點 GaInSnPbBi 高熵合金，作為輻射屏蔽復合材料的夾雜物。通過 XRD、SEM、EDS和 DSC 研究了 GaInSnPbBi 合金的顯微組織形態、相組成、熔點和相變潛熱。該合金通過兩種共晶組織的混合生長形成了復雜的共晶組織。由Pb固溶體相和InBi相形成熔點為51.4℃的InPbBi三元共晶組織。GaInSn形成了另一種低熔點 (18.9 ℃) 三元共晶微結構。此外，低熔點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 的能量范圍內系統地評估了純合金和 15、20、25、35和 50 vol-% LHEA 摻雜的PDMS 柔性復合材料的屏蔽性能。獲得樣品的u m、LAC、HVL、TVL、MFP和Zeff進一步用于確定輻射屏蔽性能。純 GaInSnPbBi 合金具有比Pb 更高的質量衰減系數。對于 LHEA/PDMS 復合材料，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。醫學 X 射線對比成像驗證了計算結果。該復合材料重量輕、彈性好、輻射屏蔽性能好。因此，它是一個最有前途的輻射屏蔽材料候選者之一，可用于各種應用，尤其是在核醫學領域。
文稿整理：楊志恒 鄧華銘
編輯：高翔
責編：王彧晗
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/ente.202170091
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