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柔性低熔点辐射屏蔽材料：具有 GaInSnPbBi 高熵合金夹杂物的软弹性体
- 分类：行业新闻
- 作者：王恺钊
- 来源：前沿液态金属
- 发布时间：2023-03-22 20:34
【概要描述】该复合材料重量轻、弹性好、辐射屏蔽性能好。因此，它是一个最有前途的辐射屏蔽材料候选者之一，可用于各种应用，尤其是在核医学领域。
柔性低熔点辐射屏蔽材料：具有 GaInSnPbBi 高熵合金夹杂物的软弹性体
【概要描述】该复合材料重量轻、弹性好、辐射屏蔽性能好。因此，它是一个最有前途的辐射屏蔽材料候选者之一，可用于各种应用，尤其是在核医学领域。
- 分类：行业新闻
- 作者：王恺钊
- 来源：前沿液态金属
- 发布时间：2023-03-22 20:34
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喜讯，昆明理工大学教授胡劲团队以镓为基制备低熔点高熵合金，系统的阐述了以新型复合材料作为替代新一代的防辐射的经济和性能效益，推进了防辐射材料的研发进程，论文以封面文章形式(如下图)发表于期刊《Advanced Science News》上，题为《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学稀贵金属研究中心博士王恺钊，通讯作者为胡劲教授。
本文中制备了一种低熔点GaInSnPbBi高熵合金(LHEA)夹杂物的聚二甲基硅氧烷(PDMS)基软弹性复合材料，以评估其辐射屏蔽性能。LHEA 由两种不同的三组分共晶微结构组成，它们以混合方式生长，形成复杂的共晶结构。夹杂物具有与 PDMS 基体变形相匹配的优异机械性能。为了评估屏蔽材料与光子的相互作用，MCNPX程序和XCOM程序用于确定LHEA/PDMS复合材料的屏蔽参数，如质量衰减系数、线性衰减系数、半值层、十值层、平均自由程和有效原子序数。具有 50-vol% LHEA 的复合材料具有最佳的辐射屏蔽性能，已通过医学 X 射线成像实验验证。柔性轻质复合材料的优异屏蔽性能归因于 LHEA 夹杂物的质量衰减系数高于铅。具有出色屏蔽性能的替代材料以克服铅的限制非常重要，在辐射屏蔽替代品中，合金、复合材料和玻璃材料表现出良好的辐射屏蔽性能。但以往材料往往会使屏蔽设施体积庞大且不灵活。因此，需要一种更轻、更软、更灵活的辐射屏蔽材料，尤其是在医学诊断中。一些研究表明液态金属提供了一种理想的解决方案：低熔点 GaInSnZn 液态合金具有一定的辐射性X射线的屏蔽性能，且液态金属的柔韧性克服了传统材料的刚度。它是最有前途的辐射屏蔽替代材料之一，特别是对于医疗诊断 X 射线，Ga、In、Sn、Bi等低熔点金属可以有效补偿铅的弱吸收区，提高对 X 射线的屏蔽效率。因此通过添加低熔点金属元素，并通过吸收边相互作用增强屏蔽性能，为设计更高屏蔽性能的高熵合金提供了新的概念。此外，聚合物可以有效地缓和中子，并且由于它们的低密度、灵活性、结构一致性和良好的可加工性特别适合作为封装材料，因此，将金属填料封装在聚合物基质中是一种很有前途的辐射屏蔽方法。
图1柔性低熔点辐射屏蔽材料：具有 GaInSnPbBi 高熵合金夹杂物的软弹性
图 2. a,b) GaInSnPbBi 高熵合金的SEM 背散射电子图像，c-g) (b) 中区域的Ga、In、Sn、Pb和 Bi 元素图，h) XRD 分析GaInSnPbBi合金，i) GaInSnPbBi 合金的DSC 轮廓，以及 j) GaInSnPbBi 合金圆柱体的照片
图 3. A) LHEA/PDMS 微结构的光学显微镜图像，15–50 vol-% LHEA 掺杂，B) LHEA 分散在PDMS 中的 SEM 图像，C) 复合材料的EDS 元素图，D) 复合材料的 XRD 图, E) LHEAPDMS 复合材料的 FT-IR 光谱，和F) LHEAPDMS 复合材料的灵活性
图 4. a) MCNPX 模拟的3D 视图，b)u m样品，a) 0.015 到 15 MeV 的光子能量范围，b)在 0.0593、0.0691 MeV)，c)LHEA/PDMS复合材料的LAC、HVL、TVL 和MFP值，d)根据光子能量的样品的有效原子序数，以及e)具有钨靶的样品的医学X射线对比成像实验
本文通过真空感应熔炼制备了一种低熔点 GaInSnPbBi 高熵合金，作为辐射屏蔽复合材料的夹杂物。通过 XRD、SEM、EDS和 DSC 研究了 GaInSnPbBi 合金的显微组织形态、相组成、熔点和相变潜热。该合金通过两种共晶组织的混合生长形成了复杂的共晶组织。由Pb固溶体相和InBi相形成熔点为51.4℃的InPbBi三元共晶组织。GaInSn形成了另一种低熔点 (18.9 ℃) 三元共晶微结构。此外，低熔点金属可以作为固溶体和金属间化合物共存于合金体系中。随后，使用 MCNPX 和XCOM 程序在 0.015-15 MeV 的能量范围内系统地评估了纯合金和 15、20、25、35和 50 vol-% LHEA 掺杂的PDMS 柔性复合材料的屏蔽性能。获得样品的u m、LAC、HVL、TVL、MFP和Zeff进一步用于确定辐射屏蔽性能。纯 GaInSnPbBi 合金具有比Pb 更高的质量衰减系数。对于 LHEA/PDMS 复合材料，u m 和Z eff随着光子能量的增加而降低，随着金属夹杂物含量的增加而改善。50-vol%-LHEA 掺杂的PDMS 样品对光子具有最佳衰减性能。医学 X 射线对比成像验证了计算结果。该复合材料重量轻、弹性好、辐射屏蔽性能好。因此，它是一个最有前途的辐射屏蔽材料候选者之一，可用于各种应用，尤其是在核医学领域。
文稿整理：杨志恒 邓华铭
编辑：高翔
责编：王彧晗
原文链接:https://doi.org/10.1002/ente.202170091
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