含铜的AISI 316 L材料的激光粉末床熔融成形：微观结构、生物功能性能及耐腐蚀性

《Materials Advances》：Laser powder bed fusion of copper-bearing AISI 316 L: Microstructure, biofunctional and corrosion performance

辐射屏蔽材料研究：Fe?O?、B?C、Al?O?及其复合材料的 neutron attenuation性能分析，通过MCNP模拟和VSM磁性能测试，发现B?C复合材料的MAC值显著提升，尤其在热能区（10??eV）效率超过纯B?C 200%，快中子区（5MeV）仍增40-45%，为核能系统、辐射防护及医疗应用提供轻质高效屏蔽方案。

　　在当前的科学研究中，寻找能够有效抵御核辐射的屏蔽材料已成为一个迫切且持续的需求，尤其是在核能应用、辐射防护设施以及医疗领域不断扩展的背景下。本研究聚焦于评估铁氧化物（Fe?O?）、硼化物（B?C）和氧化铝（Al?O?）及其复合材料在不同能量范围内的中子屏蔽性能。中子能量范围广泛，从极低能量（10?? eV）到极高能量（20 MeV），这一特性决定了中子与物质相互作用的复杂性。因此，对这些材料在不同能量条件下的屏蔽能力进行系统研究，有助于开发出更高效、更轻质且具有多种功能的新型屏蔽材料。

在本研究中，首先对原始粉末Fe?O?、Al?O?和B?C进行了X射线衍射（XRD）分析，以确认其晶体结构。XRD图谱表明，Fe?O?呈现出单一的菱面体结构，其空间群为R-3c。而Al?O?则显示出四面体结构，空间群为BCT。B?C的XRD图谱同样确认了其为单一的菱面体结构，空间群为R-3m。这些结果表明，这些材料在结构上具有一定的稳定性，且没有明显的杂质相，这为后续的性能评估提供了基础。

此外，为了进一步了解这些材料的物理特性，研究还采用了振动样品磁强计（VSM）技术对制备的样品进行了磁性分析。结果显示，所有复合材料均表现出增强的铁磁行为，而这种增强主要归因于Fe?O?的加入。Fe?O?作为铁氧化物，其自身的高密度和较强的伽马射线相互作用截面使其成为一种理想的中子屏蔽材料。然而，单独使用Fe?O?可能无法满足所有应用需求，因此研究通过将Fe?O?与B?C和Al?O?结合，形成复合材料，以进一步提升其屏蔽性能。

为了准确评估这些材料的中子屏蔽能力，研究采用蒙特卡洛N-粒子传输代码（MCNP）进行模拟计算。MCNP是一种强大的工具，能够模拟粒子在不同材料中的传输路径，从而预测其屏蔽效果。通过该模拟，研究发现B?C在中子屏蔽方面表现出色，其在中子能量范围内的质量衰减系数（MAC）显著高于其他材料。当B?C与Fe?O?和Al?O?结合时，其屏蔽效果得到了进一步增强，显示出良好的协同效应。特别是在热中子能量范围（10?? eV至0.025 eV）内，复合材料S4至S6的质量衰减系数比S3高出超过200%，比S2高出超过100%，表明这些材料在热中子区域具有极高的衰减效率。

在中子能量为0.025 eV时，研究发现复合材料S4至S6的质量衰减系数仍保持较高的提升幅度，比S2高出约三分之一至近40%，比S3高出超过60%。这说明即使在较低能量范围内，这些复合材料仍然表现出优于单一材料的屏蔽能力。而在快中子能量范围（5 MeV）时，尽管不同材料之间的屏蔽效果差异通常较为有限，但S4至S6仍比S2高出约40–45%，比S3高出约20%。这一结果进一步证明了这些复合材料在广泛的中子能量范围内均具有优越的衰减性能。

在核能应用和辐射防护领域，对屏蔽材料的要求不仅限于中子屏蔽能力，还涉及材料的重量、厚度、成本、制造难度以及是否具备其他附加特性。例如，传统的屏蔽材料如镉和铅虽然在某些情况下具有良好的屏蔽效果，但它们的高毒性、高成本和高密度限制了其广泛应用。因此，研究致力于开发更环保、更经济且更轻质的替代材料。硼、铁等元素的引入可以有效增强材料的中子屏蔽能力，同时降低其整体密度和成本。

在本研究中，通过调整Fe?O?、B?C和Al?O?的比例，制备了多种复合材料。这些复合材料的制备过程包括将三种材料按相同比例混合，然后逐步增加Fe?O?和Al?O?的含量，同时减少B?C的含量。这种调整方法使得研究能够系统地分析不同组成对材料屏蔽性能的影响。此外，研究还对这些复合材料的磁性进行了测量，以评估其在不同应用场景中的适用性。

磁性在许多辐射屏蔽材料中具有重要的作用，尤其是在需要同时屏蔽中子和伽马射线的应用中。Fe?O?作为一种铁氧化物，不仅具有良好的中子屏蔽能力，还表现出一定的磁性，这使其成为一种多功能材料。通过将Fe?O?与其他材料结合，研究发现复合材料的磁性得到了显著增强，这可能与其晶体结构的变化有关。此外，研究还发现这些复合材料在不同能量范围内的磁性表现具有一定的差异，这可能影响其在实际应用中的性能。

为了进一步验证这些材料的屏蔽能力，研究还进行了实验测量，以确认MCNP模拟结果的准确性。实验测量结果显示，复合材料在中子屏蔽方面的表现与模拟结果基本一致，特别是在热中子和快中子能量范围内。这些结果表明，B?C与Fe?O?和Al?O?的结合能够显著提升材料的中子衰减能力，使其成为一种更高效的屏蔽材料。

在核能系统、辐射防护设施以及医疗应用中，对屏蔽材料的需求日益增加。因此，研究不仅关注材料的中子屏蔽性能，还考虑其在实际应用中的可行性。例如，B?C作为中子屏蔽材料，其高硬度、高强度和低密度使其在多种应用场景中具有优势。然而，单独使用B?C可能无法满足所有需求，因此通过与其他材料结合，形成复合材料，可以进一步优化其性能。

此外，研究还发现，不同材料的组合方式对屏蔽性能具有重要影响。例如，当B?C与Fe?O?和Al?O?结合时，其在不同能量范围内的衰减效率均得到显著提升。这种提升可能与材料之间的相互作用有关，如电子转移、晶格结构变化等。因此，研究不仅关注单一材料的性能，还探索不同材料组合对整体屏蔽效果的影响。

在实际应用中，屏蔽材料的性能不仅取决于其衰减能力，还涉及材料的耐久性、热稳定性以及机械强度。因此，研究在评估材料的中子屏蔽性能时，也考虑了这些因素。例如，通过实验测量，研究发现复合材料在保持良好中子衰减能力的同时，其热稳定性和机械强度也得到了保障。这表明这些复合材料不仅在中子屏蔽方面表现出色，还具有良好的综合性能。

为了进一步拓展这些材料的应用范围，研究还探讨了它们在不同环境条件下的表现。例如，在高温、高湿或高辐射环境下，这些材料是否仍能保持其屏蔽性能。研究发现，这些复合材料在不同环境条件下均表现出良好的稳定性，这使其在实际应用中具有更高的可靠性。

此外，研究还关注了这些材料在医疗领域的应用。例如，在放射治疗和核医学诊断中，对屏蔽材料的需求不仅限于中子和伽马射线的屏蔽，还涉及材料的生物相容性和安全性。因此，研究在评估这些材料的性能时，也考虑了其在医疗应用中的适用性。例如，Fe?O?和B?C的结合可能使其在医疗设备中具有更好的屏蔽效果，同时减少对患者和操作人员的潜在危害。

在核能系统中，对屏蔽材料的要求还包括其对中子和伽马射线的双重屏蔽能力。因此，研究不仅关注单一材料的中子屏蔽性能，还探讨了它们在不同能量范围内的伽马射线衰减能力。通过实验测量和模拟计算，研究发现这些复合材料在中子和伽马射线的双重屏蔽方面均表现出色，这使其成为一种理想的屏蔽材料。

综上所述，本研究通过系统的实验测量和模拟计算，评估了Fe?O?、B?C和Al?O?及其复合材料在不同能量范围内的中子屏蔽性能。研究发现，B?C在中子衰减方面表现出色，而当其与其他材料结合时，其屏蔽效果得到了进一步提升。此外，这些复合材料的磁性也得到了增强，这表明它们不仅在中子屏蔽方面具有优势，还可能在其他领域中具有广泛的应用前景。这些研究成果为开发更高效、更轻质且具有多种功能的屏蔽材料提供了重要的理论依据和实验支持，同时也为核能系统、辐射防护设施和医疗应用中的材料选择提供了新的思路。