用于多功能中子-伽马-电磁干扰屏蔽的无铅HDPE纳米复合材料

《Radiation Physics and Chemistry》：Lead-Free HDPE Nanocomposites for Multifunctional Neutron–Gamma–Electromagnetic Interference Shielding

多核功能高密度聚乙烯基复合材料研究显示，通过添加石墨烯纳米片、钡钛酸钡、铋氧化物和微变阻器，成功开发出铅-free、轻质且环境友好的辐射屏蔽材料，有效衰减中子、伽马射线及电磁干扰，机械强度和热稳定性显著提升。

　　

穆罕默德·伊克巴尔·舒布（Mohammed Iqbal Shueb）| 拉特娜·苏菲亚尼·奥马尔（Ratna Suffhiyani Omar）| 海里尔·诺尔·卡马尔·乌马尔（Khairil Nor Kamal Umar）| 阿斯亚拉夫·阿里夫·阿布·巴卡尔（Asyraf Arif Abu Bakar）| 朱莉娅·卡里姆（Julia Karim）| 法赫米鲁丁·埃萨（Fahmiruddin Esa）| 萨尔法·扎希拉·萨普安（Syarfa’ Zahirah Sapuan）| 伊·西·基（Yee See Khee）| 努尔哈齐拉·艾娜·哈斯兰（Nurhazirah Aina Haslan）| 努鲁尔·法拉欣·泰布（Nurul Farahin Taib）| 阿丽莎·努尔·亚斯明·阿卜杜·加法尔（Alissa Nur Yasmin Abd Ghaffar）| 阿利娅·赛迪·阿德南（Aaliyah Saidi Adnan）

马来西亚核能机构（Malaysian Nuclear Agency）辐射处理技术部（Radiation Processing Technology Division）聚合物加工与原型开发小组（Polymer Processing and Prototyping Development Group），卡让（Kajang）43000，雪兰莪州（Selangor），马来西亚

摘要

小型模块化反应堆（SMRs）和下一代核技术的进步要求使用轻质、无铅且多功能的高屏蔽材料，这些材料能够同时衰减中子和伽马射线，并抑制电磁干扰（EMI）。传统的含铅屏蔽材料虽然对伽马射线有效，但具有环境危害性、机械密度高，不适合用于现代紧凑型系统。相比之下，高密度聚乙烯（HDPE）富含氢且重量轻，能有效减缓中子速度，但在衰减伽马射线和电磁干扰方面效果有限。本研究通过添加石墨烯纳米片（GNPs）、钛酸钡（BaTiO₃）、氧化铋（Bi₂O₃）和微变阻器，开发出了无铅的HDPE基混合纳米复合材料，以实现综合屏蔽性能。这些复合材料通过熔融混合和压缩成型工艺制备，并进行了全面的结构、机械、热性能、介电性能及辐射屏蔽性能测试。结构完整性通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证，拉伸强度和肖氏硬度（Shore D hardness）测试评估了机械强度；热重分析（TGA/DTG）评估了热稳定性，介电光谱（1 kHz–1 GHz）测量了频率依赖的介电常数和损耗特性。电磁屏蔽效果（SE）使用矢量网络分析仪测量，而伽马射线和中子衰减测试分别使用Cs-137（γ, 662 keV）和Am–Be（n, 4.5 MeV）源进行，探测器分别为NaI(Tl)和BF₃。通过计算线性衰减系数（μ）、半值层厚度（HVL）和平均自由路径（MFP）等参数来评估衰减效率。优化后的复合材料（HDPE + 3 wt.% GNPs + 0.5 wt.% BaTiO₃ + 16.5 wt.% Bi₂O₃）表现出最佳的多功能性，在1 GHz频率下介电常数（ε′ > 6.5）和损耗正切（tanδ ≈ 0.08），电磁屏蔽效果达到28.5 dB。其辐射性能得到提升，伽马射线和中子的衰减系数（μ = 0.110 cm^-1）优于纯HDPE，同时热稳定性、硬度和界面均匀性也有所改善。这些发现表明，基于HDPE的混合纳米复合材料是一种可扩展、无铅、轻质且环保的屏蔽材料，适用于小型模块化反应堆系统、核设施改造、航空航天电子设备和电动汽车外壳。未来的工作将结合蒙特卡洛模拟（MCNP和Geant4）来验证实验趋势、模拟光子-中子传输，并优化填料几何形状、分散性和厚度。这种实验-计算相结合的方法将增强预测建模能力，加速下一代多功能聚合物屏蔽材料的应用。

部分内容摘要

引言

随着下一代核技术（特别是小型模块化反应堆SMRs）的广泛应用，对轻质、环保且多功能辐射屏蔽材料的需求日益增加。这些紧凑型反应堆在包含中子、伽马（γ）光子和电磁干扰（EMI）的复杂混合场环境中运行，这些因素都可能影响组件完整性、电子性能和人员安全。传统的铅基屏蔽材料虽然有效，但存在环境风险和机械密度问题，不适用于现代紧凑系统。

材料与设备

作为基础聚合物基质使用了高密度聚乙烯（HDPE，密度约0.95 g cm^-3，Sigma-Aldrich）。作为功能性填料加入了石墨烯纳米片（GNPs，表面积约500 m² g^-1，XG Sciences）、钛酸钡（BaTiO₃（粒径<100 nm，Alfa Aesar）和氧化铋（Bi₂O₃（粒径<200 nm，Sigma-Aldrich））。微变阻器粉末（基于ZnO，粒径<500 nm）用于增强介电损耗和能量耗散。

样品配方

表1展示了基于HDPE的纳米复合材料的组成

基于HDPE的纳米复合材料的FTIR光谱分析

四种基于HDPE的纳米复合材料样品（样品A–D）分别含有不同的功能性填料，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了其化学结构保持情况和潜在的聚合物-填料相互作用。样品E作为对照组，由不含任何添加剂的纯HDPE制成。FTIR光谱测量范围为4000–500 cm^-1，如图6和表2所示。

结论

本研究成功开发并表征了一类新型无铅HDPE基混合纳米复合材料，其中添加了石墨烯纳米片（GNPs）、钛酸钡（BaTiO₃）和氧化铋（Bi₂O₃），以及微变阻器。这些复合材料通过FTIR光谱、机械和硬度测试、热稳定性分析、介电测量、电磁屏蔽和 neutron–gamma 衰减实验验证了其出色的多功能性能。

CRediT作者贡献声明

萨尔法·扎希拉·萨普安（Syarfa’ Zahirah Sapuan）：数据验证、方法学研究、数据分析。阿丽莎·努尔·亚斯明（Alissa Nur Yasmin）：方法学研究、实验设计。努鲁尔·法拉欣·泰布（Nurul Farahin Taib）：方法学研究、实验设计。努尔哈齐拉·艾娜·哈斯兰（Nurhazirah Aina Haslan）：方法学研究、实验设计。伊·西·基（Yee See Khee）：数据验证、方法学研究、数据分析。阿斯亚拉夫·阿里夫·阿布·巴卡尔（Asyraf Arif Abu Bakar）：撰写、审稿与编辑、数据验证、方法学研究、数据分析。海里尔·诺尔·卡马尔·乌马尔（Khairil Nor Kamal Umar）：数据验证、方法学研究、实验设计。

未引用参考文献

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利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。所有作者进一步确认，本研究在没有任何可能构成利益冲突的商业、财务或机构关系的情况下完成。作者对本文的内容和结论负全责。

致谢

作者感谢马来西亚核能机构辐射处理技术部提供的持续支持和先进研究设施的使用。先进仪器的可用性以及良好的研究环境对项目的成功完成至关重要。马来西亚核能机构的工业技术部和技术支持部在实验过程中提供了宝贵的专业支持和帮助。