硼酸铋纳米结构的制备及其中子-γ防护性能研究

摘要

近年来，随着核能和核技术的迅猛发展，人类越来越频繁活动于各类射线的环境中。面对有较强穿透能力的中子和γ射线给人体带来的伤害，传统的辐射防护材料已经无法完全满足屏蔽的具体需求。因此，为了迎接进一步的挑战，研发对中子和γ射线屏蔽效果好且力学性能优良的新型辐射防护材料已经成为材料研发的主要方面。
　　本文以Bi2(NO3)3.5H2O和H3BO3作为原料，通过溶胶凝胶法成功制备出硼酸铋晶体，并通过调节反应条件，制备了不同形貌的硼酸铋纳米结构。研究表明，Bi/B摩尔比对产物物相有很大影响，当n(Bi):n(B)=1:2时，产物为六方晶系的Bi6B10O24晶体。烧结温度和时间对硼酸铋形貌有一定影响，并得出当在530℃下烧结5h时可以得到厚度为十几纳米的硼酸铋片状结构，当烧结温度为600℃，时间为3h时可以得到分散性较好，尺寸为100～300nm的硼酸铋纳米颗粒。初步探究了不同形貌的硼酸铋纳米结构的形成机制，并发现助剂柠檬酸和EDTA在硼酸铋纳米结构的形成和形貌的控制方面均起到了重要作用。
　　通过γ谱仪对制备得到的硼酸铋纳米粉体进行γ射线屏蔽性能测试，并运用蒙特卡罗(MCNP5)程序对其热中子的屏蔽性能进行模拟后发现，硼酸铋纳米粒子对中子和γ射线的屏蔽性能均随着粉体含量的增大而增大；并且当粉体含量相同时，对γ射线的质量衰减系数随着射线能量的增大而降低，同时由于铋弱吸收区的存在，材料在105.3keV处表现出最高的屏蔽性能。另外，不同形貌的硼酸铋纳米粉体对热中子和γ射线的屏蔽性能均要高于Bi2O3和B2O3混合物的屏蔽性能，并且片状结构的硼酸铋与颗粒状硼酸铋相比对γ射线表现出更好的屏蔽性能，但是二者对热中子的吸收性能差异甚微，表明材料对中子和γ射线的屏蔽性不仅与材料密度有关，还与粒子尺寸和形貌有关，将填料粒子纳米化，并提高粒子形貌的规整度后有利于材料对中子和γ射线的屏蔽性能的提高。

目录

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 射线与物质的作用机理

1.2.1 γ射线与物质的相互作用

1.2.2 中子与物质的相互作用

1.3.1 γ射线防护材料

1.3.2 中子防护材料

1.3.3 中子-γ射线防护材料

1.4 硼酸盐的研究现状

1.4.1 硼酸盐晶体的结构特征

1.4.2 硼酸盐纳米材料的合成方法

1.5 硼酸铋的研究现状

1.6.1 研究意义

1.6.2 主要研究内容

2 颗粒状硼酸铋纳米结构的制备与屏蔽性能研究

2.1 实验部分

2.1.1 实验所需原料和仪器

2.1.2 硼酸铋纳米结构的制备流程

2.1.3 辐射防护材料的制备

2.2 仪器及测试方法

2.2.1 硼酸铋晶体物相分析

2.2.2 硼酸铋晶体形貌与结构分析

2.2.3 硼酸铋晶体防护性能分析

2.3 结果与讨论

2.3.1 Bi/B摩尔比对硼酸铋晶体物相的影响

2.3.2 硼酸铋晶体红外分析

2.3.3 硼酸铋晶体的形貌与成分分析

2.3.4 颗粒状硼酸铋纳米结构透射形貌与结构分析

2.3.5 颗粒状硼酸铋纳米结构的形成机理分析

2.3.6 颗粒状硼酸铋纳米结构的γ射线屏蔽性能测试

2.3.7 颗粒状硼酸铋纳米结构的中子屏蔽性能模拟

2.4 本章小结

3 片状硼酸铋纳米结构的制备与屏蔽性能研究

3.1 实验部分

3.1.1 实验试剂和仪器

3.1.2 片状硼酸铋纳米结构的制备

3.2 仪器及测试方法

3.2.1 硼酸铋晶体物相分析

3.2.2 硼酸铋晶体形貌与结构分析

3.2.3 硼酸铋晶体防护性能分析

3.3 结果与讨论

3.3.1 烧结温度对硼酸铋晶体的影响

3.3.2 烧结时间对硼酸铋晶体的影响

3.3.3 片状硼酸铋纳米结构的形成机理

3.3.4 片状硼酸铋纳米结构的γ射线屏蔽性能研究

3.3.5 片状硼酸铋纳米结构的中子屏蔽性能模拟

3.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果