中国科学院通过调控PbWO4填料微观形貌制备高性能中子伽马协同屏蔽复合材料

近日，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所功能材料研究室王贤龙研究员团队在核辐射防护材料研究方面取得新进展，相关成果以'Enhanced neutron and gamma-ray shielding performance of PbWO₄-B₄C/HDPE composites via microstructure regulation'为题发表在Composites Part A: Applied Science and Manufacturing期刊上。

核辐射防护材料是保障核设施安全运行、放射性废物处理以及核医学应用的关键材料。传统防护材料如铅、混凝土等对伽马射线屏蔽效果好，但对中子屏蔽能力弱；含硼聚乙烯（B₄C/HDPE）对中子屏蔽效果好，但对伽马射线屏蔽能力不足。因此，开发能够同时高效屏蔽中子和伽马射线的复合材料具有重要意义。

研究团队通过调控PbWO₄填料的微观形貌，制备了三种不同形貌的PbWO₄填料：微米纺锤状PbWO₄-I、微米球状PbWO₄-II和微米粗糙球状PbWO₄-III，并将其与B₄C/HDPE复合。研究发现，PbWO₄-III/B₄C/HDPE复合材料在15cm的厚度下，对²⁵²Cf中子源和¹³⁷Cs伽马源的屏蔽率分别达到97.32 %和76.43 %，表现出最佳的中子总截面和线性衰减系数。

该研究通过PbWO₄填料的微结构调控，实现了复合材料性能的定向优化，将PbWO₄、B₄C与HDPE结合，克服了传统材料难以同时屏蔽宽能区中子和γ射线的局限性，为高性能辐射防护材料的设计提供了新思路。

该研究得到了安徽省生态环境科研项目、安徽省高校协同创新项目、聚变堆主机关键系统综合研究设施和合肥综合性国家科学中心能源研究院（安徽省能源实验室）等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2025.109011

图1.（a）微米纺锤PbWO₄-I、（b）微米球PbWO₄-II、（c）微米粗糙球PbWO₄-III、（d）商用PbWO₄的SEM图像

图2. PbWO₄增强含硼聚乙烯复合材料的中子伽马协同屏蔽机制示意图

图3. PbWO₄增强含硼聚乙烯复合材料的实测中子（a）和伽马射线衰减曲线（b）