關(guān)鍵詞：柔性;屏蔽;復(fù)合材料;鉛

為了降低工作場(chǎng)所內(nèi)的輻射水平，有效降低集體劑量，對(duì)輻射熱點(diǎn)進(jìn)行屏蔽是核電站常用的應(yīng)對(duì)措施。目前國(guó)內(nèi)核電站通常采用鉛皮包裹或鉛板懸掛的方式進(jìn)行γ 射線輻射屏蔽[1-2] 。這種屏蔽方式存在較多問題：鉛皮包裹凌亂，不易清潔;鉛皮和鉛板材質(zhì)軟，易造成流變下垂，影響輻射防護(hù)的穩(wěn)定性;作為臨時(shí)屏蔽方式，不滿足核電廠抗震性能要求，阻礙儀表、閥門操作及檢修，大修結(jié)束后需對(duì)其進(jìn)行拆除，反復(fù)搭拆造成搭拆人員集體劑量的升高;鉛皮表面包覆物阻燃性能差，大范圍使用不符合核電站廠房的防火要求等。按照核電站控制區(qū)的管理要求，需要研發(fā)一種定制化、完全貼合包覆屏蔽方式的新型屏蔽復(fù)合材料，革新核電站傳統(tǒng)屏蔽方式。

以鉛或鎢等重金屬為功能填料進(jìn)行復(fù)合化或合金化的新型屏蔽材料日益受到人們的普遍關(guān)注。Singh 等[3] 研制的鉍硼硅酸鹽玻璃具有良好的中子及γ 射線屏蔽性能。英國(guó)ITW 公司研制了一種橡膠基柔性屏蔽材料產(chǎn)品用于核工業(yè)及無(wú)損檢測(cè)行業(yè)的輻射屏蔽，且在英國(guó)Size-well B 核電廠獲得了應(yīng)用[4] 。法國(guó)Cattenom 核電站采用一種臨時(shí)性新型柔性屏蔽材料對(duì)復(fù)雜管道上的輻射熱點(diǎn)進(jìn)行屏蔽，但僅能應(yīng)用在尺寸較小的管線、閥門熱點(diǎn)的屏蔽[5] 。付明等[6] 采用模具制造工藝制備了一種以丁苯橡膠（SBR）為基體的柔性屏蔽材料，但并未制作成定制化產(chǎn)品不滿足電廠的實(shí)際屏蔽需求。卓明川等[7] 采用熔融擠出法制備了高密度的尼龍（PA6） / 鎢復(fù)合材料，主要用于醫(yī)療領(lǐng)域、航空航天等高能射線屏蔽零部件。Ahmed 等[8] 研究了鎢硅橡膠復(fù)合材料的γ 射線屏蔽特性，可用于手套、外套等防護(hù)服的制造材料。但國(guó)內(nèi)關(guān)于新型屏蔽材料的研究都沒有考慮核電站停堆檢修期間用于γ射線屏蔽的實(shí)際應(yīng)用要求，也沒有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，僅停留在屏蔽材料制備研發(fā)階段。

隨著壓水堆核電站的運(yùn)行，核島控制區(qū)很多操作位置的管路和設(shè)備上都會(huì)形成輻射熱點(diǎn)，需采取一定的輻射屏蔽措施，以減少熱點(diǎn)附近的設(shè)備操作和檢修人員的外照射劑量。鑒于國(guó)內(nèi)針對(duì)核電站停堆檢修期間γ 射線的輻射屏蔽材料研發(fā)滯后的情況，傳統(tǒng)屏蔽材料難以滿足核電站復(fù)雜核設(shè)備部件定制化屏蔽材料的需求，亟需研發(fā)能替代傳統(tǒng)鉛皮或鉛板進(jìn)行輻射防護(hù)的新型柔性屏蔽復(fù)合材料。

1 新型柔性材料介紹

硅橡膠作為一種合成的硅膠，其特殊的結(jié)構(gòu)使其具有良好的耐熱、耐腐蝕和耐輻照性能[8-11] ，國(guó)內(nèi)外關(guān)于高分子復(fù)合化屏蔽材料都考慮硅橡膠作為基體材料[4-6，10] 。目前應(yīng)用最廣泛的輻射防護(hù)材料是含高原子序數(shù)如鉛和鎢的材料，鉛價(jià)格相對(duì)低廉，更適合于國(guó)內(nèi)核電站規(guī)模化工程應(yīng)用。

基于傳統(tǒng)屏蔽方式的劣勢(shì)及核電廠控制區(qū)無(wú)裸露鉛的要求，設(shè)計(jì)研發(fā)出一種以硅橡膠為基體，重金屬鉛粉為功能填料的新型柔性屏蔽復(fù)合材料產(chǎn)品。該產(chǎn)品采用“三明治夾層”復(fù)合結(jié)構(gòu)形式，利用混煉硫化技術(shù)復(fù)合加工而成，中間層為含鉛的硅橡膠（也稱為輻射屏蔽層或功能層），外層為純硅橡膠（也稱為基體層或表面層）。制品通過基體層的硅橡膠提供優(yōu)良的力學(xué)性能，通過功能層的鉛粉復(fù)合硅橡膠提供輻射屏蔽性能。新型柔性屏蔽材料設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

新型柔性屏蔽材料的研制主要用于國(guó)防工業(yè)、核工業(yè)和無(wú)損檢測(cè)行業(yè)X 射線和γ 射線的屏蔽，在復(fù)雜的屏蔽環(huán)境下提供一種新型、高效、操作簡(jiǎn)便快捷的屏蔽手段。這種材料可根據(jù)輻射熱點(diǎn)位置輻射源的尺寸（閥門、管道尺寸）直接模塑定制成型，現(xiàn)場(chǎng)布置整潔，安裝拆卸便捷，可減少安裝、拆卸人員的輻照劑量。新型柔性屏蔽材料效果圖如圖2 所示。

2 制備工藝與測(cè)試

2. 1 原材料與成型工藝

根據(jù)核電站控制區(qū)輻射屏蔽材料的應(yīng)用要求，新型柔性屏蔽材料應(yīng)具有易清潔、耐高溫、阻燃、耐熱老化、耐輻照老化及力學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)。經(jīng)過初步篩選，具備以上性能要求的橡膠基材為丁基橡膠、丁腈橡膠、三元乙丙膠、甲基硅橡膠、甲基乙烯基硅橡膠等五種，然后進(jìn)行性能測(cè)試試驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果選出達(dá)到目標(biāo)產(chǎn)品要求的橡膠樣品。

將5 種橡膠樣品分別與相同質(zhì)量的鉛粉混合均勻，經(jīng)過混煉、硫化成型工藝后制成新型柔性屏蔽材料結(jié)構(gòu)，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)測(cè)定各自的抗拉強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率，并根據(jù)硫化工藝記錄關(guān)鍵工藝參數(shù)：硫化溫度及硫化時(shí)間。橡膠基材測(cè)試結(jié)果列于表1。

經(jīng)過對(duì)比分析以上五種橡膠為基體制備的功能層材料的拉伸性能及工藝成型參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，甲基乙烯基硅橡膠無(wú)論是在抗拉強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率方面都有非常優(yōu)越的性能，并且硫化時(shí)間最短具有較大的優(yōu)勢(shì)。

圖3 為柔性屏蔽材制備工藝流程，其制備工藝主要分為五個(gè)步驟，分別為混煉膠制備、壓延、夾層復(fù)合、硫化以及噴涂。首先通過煉膠機(jī)制備基體層混煉膠和功能層混煉膠，混煉之前需要添加補(bǔ)強(qiáng)、阻燃等助劑，功能層混煉膠需添加重金屬鉛粉;其次通過壓延工藝得到設(shè)計(jì)厚度的基體層和功能層膠片，將壓延成型的基體層膠片與功能層膠片在壓延機(jī)上進(jìn)行復(fù)合，通過壓輥將其制成三層復(fù)合結(jié)構(gòu)的膠片;最后將復(fù)合膠片放入模具后經(jīng)過硫化機(jī)硫化成型，模具冷卻降溫后，起膜經(jīng)過噴涂硅膠后得到定制化樣品。對(duì)各個(gè)操作步驟，需要根據(jù)硅橡膠制備標(biāo)準(zhǔn)，選用合適的生產(chǎn)設(shè)備，設(shè)置最佳的生產(chǎn)工藝參數(shù)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

2. 2 分析測(cè)試方法

復(fù)合材料伽馬屏蔽性能測(cè)試?yán)?37Cs（平均能量為0. 662 MeV） 以及60Co（平均能量為1. 25MeV）進(jìn)行，使用γ 射線輻射量（防護(hù)水平）標(biāo)準(zhǔn)裝置和劑量?jī)x參照GBZT 147—2002 測(cè)試樣品的輻射衰減率;材料密度根據(jù)GB/ T 533—2008 標(biāo)準(zhǔn)，在密度測(cè)試儀上進(jìn)行;材料拉伸試驗(yàn)根據(jù)GB/ T528—2009 標(biāo)準(zhǔn)，在ETM105D 萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行;材料硬度測(cè)試根據(jù)GB/ T 531. 1—2008 標(biāo)準(zhǔn)，利用邵氏A 硬度計(jì)測(cè)試。

3 結(jié)果與討論

3. 1 功能層鉛粉性

為了驗(yàn)證鉛粉粒徑對(duì)復(fù)合材料制品力學(xué)性能的影響，針對(duì)相同鉛粉含量下鉛粉粒徑分別為150目、300 目及400 目的復(fù)合材料制品進(jìn)行了拉伸力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果列于表2。

同時(shí)，為了進(jìn)一步研究鉛粉粒徑對(duì)復(fù)合材料制品屏蔽性能的影響，采用SEM 掃描電鏡觀察了不同粒徑制備的復(fù)合材料截面形貌，以表征不同鉛粉粒徑在基體中的彌散情況及與硅橡膠的微觀結(jié)合情況，如圖4 所示。

通過拉伸試驗(yàn)結(jié)果及SEM 掃描電鏡觀察，可知：

（1）采用粒徑為300 目的鉛粉制備的復(fù)合材料制品的抗拉強(qiáng)度及斷裂伸長(zhǎng)率最為優(yōu)異，且當(dāng)鉛粉粒徑無(wú)論是增大為150 目還是減小到400目，相應(yīng)制品的力學(xué)性能都有變差的趨勢(shì)，且鉛粉粒徑減少到400 目相對(duì)于粒徑增大到150 目對(duì)制品力學(xué)性能變差的貢獻(xiàn)更為突出。

（2）當(dāng)鉛粉粒徑為150 目和300 目時(shí)，鉛粉在基體材料中，彌散得更為均勻，如圖4（a）、（b）所示;鉛粉粒徑過小時(shí)，添加的鉛粉在基體內(nèi)容易出現(xiàn)小范圍團(tuán)聚，在基體內(nèi)彌散程度差，工藝實(shí)現(xiàn)較為困難，如圖4（c）所示。

（3）當(dāng)鉛粉粒徑在300 目時(shí)，鉛粉與基體的相容性更好，如圖4（b）所示，鉛粉可以均勻彌散分布在硅橡膠基體內(nèi)，復(fù)合材料也表現(xiàn)出最佳的力學(xué)性能。

通過對(duì)不同鉛粉粒徑下復(fù)合材料制品的力學(xué)性能、鉛粉在基體中的彌散情況的研究，可知采用300 目、150 目鉛粉比400 目鉛粉制備的復(fù)合材料性能更為優(yōu)異，后續(xù)以鉛粉粒徑為300 目和150目為主要考察對(duì)象。

3. 2 屏蔽性能

功能層鉛粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)至少達(dá)到70%以上可以保證屏蔽材料厚度較小，具備核電廠控制區(qū)復(fù)雜設(shè)備定制化屏蔽的安裝性能要求。橡膠基柔性屏蔽材料配方設(shè)計(jì)列于表3，設(shè)計(jì)4 組配方制備出制品，針對(duì)不同粒徑、不同鉛粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)的制品分別做了屏蔽性能檢測(cè)。

為方便比較不同配方的測(cè)試結(jié)果，特將所有測(cè)試結(jié)果都換算成線衰減系數(shù)。測(cè)試得到不同配方復(fù)合材料制品的線衰減系數(shù)列于表3。

從表3 可知，在試驗(yàn)中的4 種配方范圍內(nèi)，含鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同的條件下，鉛粉的粒徑越小，制品的衰減系數(shù)越大，彌散越均勻，對(duì)γ 射線的屏蔽性能越好;當(dāng)制品的粒徑相同的條件下，鉛粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，制品的衰減系數(shù)越大，對(duì)γ 射線的屏蔽性能越好，配方4 具有優(yōu)異的屏蔽性能，為最佳配方。新型柔性輻射防護(hù)復(fù)合材料對(duì)60Co、137Cs γ射線的線衰減系數(shù)與中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院研制的鉛硼聚乙烯屏蔽材料[11] 、英國(guó)ITW MAZEL 公司研制的柔性屏蔽材料的對(duì)比列于表4。

由表4 中各產(chǎn)品的線衰減系數(shù)數(shù)據(jù)可知，與國(guó)內(nèi)外相關(guān)屏蔽材料相比，新型柔性輻射防護(hù)復(fù)合材料對(duì)60Co、137Cs γ 射線的屏蔽具有更為優(yōu)異的屏蔽性能。

新型柔性屏蔽復(fù)合材料的功能屬性在于屏蔽性能，屏蔽性能的好壞主要體現(xiàn)在功能層鉛料在復(fù)合材料中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、彌散狀態(tài)。柔性屏蔽材料研發(fā)的目標(biāo)是制備屏蔽性能優(yōu)異且力學(xué)性能良好，具有綜合性能的屏蔽產(chǎn)品，所以需要開展屏蔽材料力學(xué)性能的研究。

3. 3 力學(xué)性能

在保持其他添加劑含量不變的情況下，在硅橡膠中添加鉛粉會(huì)影響硅橡膠的力學(xué)性能和成型性能，通過試驗(yàn)可知當(dāng)鉛粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到90%時(shí)，制造加工是非常困難的，此時(shí)基體材料對(duì)鉛粉的包裹能力急劇下降，相應(yīng)地會(huì)對(duì)材料的抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生不利的影響。針對(duì)屏蔽材料而言，其力學(xué)性能與屏蔽性能是一對(duì)矛盾體，材料配比時(shí)需要同時(shí)兼顧產(chǎn)品的屏蔽性能、力學(xué)性能。

采用表4 中所示的4 種配方制備復(fù)合屏蔽材料作為研究對(duì)象。對(duì)制品力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，主要包括密度、抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率以及硬度，結(jié)果如圖5 所示。

力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明，配方4 屏蔽復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度及硬度都明顯優(yōu)于其余配方，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到7. 4 Mpa，斷裂伸長(zhǎng)率達(dá)到550%，具備優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。并且在4 組配方內(nèi)，相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)鉛粉的配方，鉛粉粒徑越小，抗拉強(qiáng)度相對(duì)越高，結(jié)合圖4 掃描形貌證明鉛粉彌散越均勻，復(fù)合材料的力學(xué)性能越好。

通過以上研究可知，鉛粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%，粒徑為300 目的復(fù)合材料配比表現(xiàn)了優(yōu)異的屏蔽性能及力學(xué)性能，結(jié)合其他添加劑和最佳制備工藝參數(shù)，得到最佳配方。

4 示范應(yīng)用

新型柔性屏蔽材料產(chǎn)品，在CPR1000 壓水堆核電廠K216 房間中開展示范應(yīng)用。K216 房間是通往核反應(yīng)堆廠房的必經(jīng)通道，房間布置著PTR系統(tǒng)下泄管線，輻射熱點(diǎn)水平較高。圖6 為K216房間新型柔性屏蔽產(chǎn)品和傳統(tǒng)屏蔽產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)安裝效果對(duì)比圖。新型屏蔽產(chǎn)品的應(yīng)用改變了目前核電現(xiàn)場(chǎng)的包裹式鉛皮以及懸掛式鉛板屏蔽方式，帶來(lái)的是具有包覆性能、密封徹底，不留輻射通過間隙、易于清潔，可多次循環(huán)利用的新型屏蔽產(chǎn)品。經(jīng)過電廠評(píng)估驗(yàn)收，采用16 mmPb 規(guī)格的新型屏蔽材料產(chǎn)品相比傳統(tǒng)屏蔽能夠快速完成現(xiàn)場(chǎng)安裝，實(shí)現(xiàn)抗震計(jì)算和屏蔽材料設(shè)計(jì)的優(yōu)化統(tǒng)一，保證最佳的屏蔽設(shè)計(jì)方案，輻射熱點(diǎn)處的接觸劑量率平均降低90%以上。

新型柔性屏蔽材料的主要特點(diǎn)如下：

（1）采用柔性硅橡膠為基體，重金屬為功能層，保證了新型屏蔽材料足夠的韌性和結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，反復(fù)彎折性能好，可以任意塑形，使材料能夠做到定制設(shè)計(jì)，滿足各種異形屏蔽需求。

（2）采用獨(dú)特的“三明治夾層” 復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，中間夾層為輻射屏蔽層，兩邊為基體層。這種結(jié)構(gòu)不僅保證了新型屏蔽材料的屏蔽性能，更重要的是獨(dú)特的基體層配方保證了產(chǎn)品具備抗熱老化、抗輻照老化、環(huán)境友好性、阻燃及易于清潔等性能優(yōu)勢(shì)，更加符合核電廠現(xiàn)場(chǎng)服役條件對(duì)產(chǎn)品性能的要求。

（3）采用完全貼合包覆屏蔽方式，不留任何空隙，極大地節(jié)約了安裝空間，并且美觀整潔。由于包覆的貼合性改變了傳統(tǒng)鉛板的懸掛式屏蔽，阻隔了放射性射線的漫反射有利于屏蔽性能的提高，并且可保留閥門、儀表等設(shè)備的操作空間以及檢修空間。新型屏蔽方式可開展抗震分析計(jì)算，設(shè)置最佳的屏蔽設(shè)計(jì)方案，保證了新型屏蔽材料產(chǎn)品可提供長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定屏蔽，去除了傳統(tǒng)屏蔽材料反復(fù)搭拆的嚴(yán)重弊端，可有效落實(shí)運(yùn)營(yíng)電廠降低集體劑量的管理要求。

5 結(jié)論

通過采用混煉硫化工藝制造技術(shù)，研制了一種以甲基乙烯基硅橡膠為基體，重金屬鉛為功能填料的“三明治夾層”復(fù)合結(jié)構(gòu)柔性屏蔽材料，開展了復(fù)合材料屏蔽性能、力學(xué)性能研究及核電控制區(qū)現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用，得出如下結(jié)論：

（1）采用模壓混煉硫化工藝制造的柔性屏蔽材料，可實(shí)現(xiàn)核電現(xiàn)場(chǎng)輻射熱點(diǎn)管線直管、彎頭及三通的定制化屏蔽，滿足各種異性屏蔽需求。

（2）功能層鉛粉的彌散程度是影響復(fù)合材料屏蔽性能的重要指標(biāo)，鉛粉粒徑大小對(duì)鉛粉在硅橡膠基體中的彌散均勻性能有重要影響，粒徑太大或太小都不利于鉛粉在基體中的彌散。通過SEM 掃描微斷口形貌表征，300 目鉛粉粒徑表現(xiàn)出較為優(yōu)異的彌散性能。

（3）通過開展屏蔽性能及力學(xué)性能研究，得到鉛粉粒徑為300 目，鉛粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%的硅橡膠/ 鉛粉復(fù)合材料配比較為優(yōu)異，經(jīng)過屏蔽性能測(cè)試，復(fù)合材料對(duì)60Co、137Cs γ 射線的線衰減系數(shù)分別達(dá)到0. 282 cm-1、0. 472 cm-1，屏蔽性能優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品;復(fù)合材料密度、拉伸強(qiáng)度、硬度隨著鉛含量的增加而增加，而斷裂伸長(zhǎng)率隨著鉛含量的增加而減少。

（4）基于新型屏蔽材料在百萬(wàn)千瓦級(jí)壓水堆核電站的示范應(yīng)用，證明定制化屏蔽材料能夠快速完成安裝并有效降低劑量率，為新型柔性屏蔽材料的推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

大力發(fā)展核電等清潔能源是實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和雙碳目標(biāo)的重要舉措。輻射安全是衡量核電站安全性能的重要指標(biāo)，通過改進(jìn)運(yùn)營(yíng)核電現(xiàn)場(chǎng)傳統(tǒng)輻射屏蔽方式，開展輻射屏蔽新技術(shù)的應(yīng)用，為有效落實(shí)運(yùn)營(yíng)電廠降低集體劑量管理要求尤為必要。