Al-B-W复合材料的微结构、显微硬度及中子与次级γ射线屏蔽性能研究

本研究针对中子屏蔽材料需兼顾中子吸收与次级γ射线衰减的难题，通过机械合金化制备Al6061-20B-xW（x=0-15%）复合材料，系统分析了W掺杂对微观结构、力学性能及辐射屏蔽性能的影响。结果表明，W的加入使材料密度提升至2.82 g/cm3，显微硬度达232.1 Hv，并通过MCNP模拟证实其可降低次级γ射线强度（5.48×10-6）并提升线性衰减系数（0.265 cm-1），为多功能屏蔽材料设计提供新思路。

　　

论文解读
中子技术在医学影像、癌症治疗（如中子捕获疗法）和材料分析等领域应用广泛，但中子与物质相互作用会产生有害的次级γ射线，传统屏蔽材料如含硼铝基复合材料（B₄C/Al）存在塑性差、加工难度高的问题。此外，单一的中子吸收材料难以同时有效屏蔽γ射线。钨（W）因其高原子序数和优异的中子吸收能力被视为理想添加剂，但其在铝基复合材料中的协同效应尚不明确。

为解决上述问题，中国的研究团队通过机械合金化制备了Al6061-20B-xW（x=0,5,10,15 wt%）复合材料，结合X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分析微观结构，采用显微硬度测试和腐蚀实验评估力学性能，并利用蒙特卡罗N粒子输运（MCNP6.2）模拟计算中子与γ射线屏蔽性能。

研究结果
1. 微观结构分析
XRD和SEM显示W均匀分散于Al-B基体中，W含量增加导致Al峰强度增强，表明基体结构重组。EDX证实W与Al、B无界面反应，避免了脆性相生成。

2. 力学性能提升
W的加入使材料密度从2.54 g/cm³增至2.82 g/cm³，显微硬度从143.5 Hv提升至232.1 Hv。5%W添加时腐蚀速率最低，但更高含量（10-15%）因电偶效应导致耐蚀性下降。

3. 辐射屏蔽性能
MCNP模拟表明，W掺杂使中子宏观截面（MaCS）显著提高，15%W样品对热中子的屏蔽效率达92%。次级γ射线强度从5.71×10^-6降至5.48×10^-6，γ射线线性衰减系数（LAC）从0.216 cm^-1增至0.265 cm^-1，归因于W的光电效应和康普顿散射增强。

结论与意义
该研究证实W掺杂可同步优化Al-B复合材料的力学与辐射屏蔽性能：通过抑制B₄C团聚改善加工性，利用W的高LAC特性解决次级γ射线防护难题。这一策略为核设施、医疗放射防护等领域提供了兼具轻量化与高效屏蔽的新型材料设计范式，相关成果发表于《Radiation Physics and Chemistry》。