Sm2O3对碳化钨及含（Fe, Cr）的硼化物复合材料的微观结构和力学性能的影响——用于辐射屏蔽

《Vacuum》：Effect of Sm2O3 on the microstructure and mechanical properties of tungsten carbide and (Fe, Cr)-containing boride composites for radiation shielding

　　

山琴|崔洪兵|毛江江|娄丽玉|史立群|张磊|张洪亮

复旦大学现代物理研究所核物理与离子束应用国家重点实验室，上海，200433，中国

摘要

对于核工业而言，开发具有优异屏蔽性能和良好机械性能的集成辐射屏蔽材料至关重要。碳化钨和含有(Fe, Cr)的硼化物复合材料因结合了高Z元素钨和吸收中子的核素¹⁰B而被视为有前景的辐射屏蔽材料。然而，它们的机械性能——尤其是抗弯强度（通常低于450 MPa）和脆性——仍然是限制其结构应用的因素。本研究采用真空热压烧结技术，探讨了添加Sm₂O₃对碳化钨和含有(Fe, Cr)的硼化物复合材料机械性能和屏蔽性能的影响。添加7.7 wt%的Sm₂O₃后，抗弯强度提高了77.5%，并且由于¹⁴⁹Sm的高吸收截面，热中子屏蔽性能显著增强。研究表明，Sm₂O₃有助于减少孔隙和细化晶粒，从而形成更致密、更细腻的微观结构，进而协同提升了机械性能和屏蔽性能。本研究为性能优化提供了成分范围，并为集成结构屏蔽的设计提供了指导。

引言

在中子及伽马射线的辐射防护方面，对于核反应堆、加速器和放射医学等领域的人员和设备保护至关重要[1]。碳化钨和含有(Fe, Cr)的硼化物复合材料（WC-硼化物复合材料）由于结合了高Z元素和低Z元素以及吸收中子的核素(¹⁰B)，因此具有吸引力。这类材料因其优异的耐磨性、高硬度、良好的耐腐蚀性、出色的抗辐射性和抗蠕变性而受到青睐[2,3]。

然而，目前的研究主要集中在WC-硼化物复合材料的可重复合成上[4]；关于其机械性能的数据相对有限，抗弯强度通常在300至450 MPa之间，并且存在明显的固有脆性，这限制了其在实际工程中的应用[5,6]。大量研究[7],[8],[9]表明，稀土氧化物可以显著提高工程材料的热震抗性、机械性能和抗氧化性。其背后的机制通常归因于两种协同效应：(i) 表面激活烧结，有助于致密化并减少孔隙；(ii) 第二相颗粒的分散，可以固定晶界并抑制异常晶粒生长，从而实现晶粒细化强化[10,11]。例如，研究表明，在镁涂层中添加La₂O₃可以显著降低孔隙率，同时提高耐腐蚀性和耐磨性[12]。同样，在WCoB-TiC复合材料体系中，仅添加0.3 wt%的Sm₂O₃就能将晶粒尺寸从2.0-2.7 μm细化到1.3-1.6 μm，并将硬度提高到HRA 90[13]。此外，在氧化物弥散强化的铁素体钢中，Hoffmann等人认为优异的冲击性能归因于氧化物颗粒的均匀分布，从而产生了有效的弥散强化效应[14]。

鉴于钐(Sm)具有较高的热中子吸收截面[15]，本研究中选择Sm₂O₃作为多功能添加剂，以同时优化WC-硼化物复合材料的微观结构、机械性能和屏蔽性能。系统地将Sm₂O₃的含量从0变化到10.5 wt%，以研究其对微观结构演变、机械性能（即抗弯强度和硬度）以及热中子和伽马射线屏蔽效率的影响。通过三点弯曲试验和硬度测试确定了材料机械性能的变化。使用X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)表征了材料的微观结构演变。以下部分将讨论微观结构和机械性能与Sm₂O₃含量的依赖性。

节选内容

掺杂Sm₂O₃的WC-硼化物复合材料的烧结

WC-硼化物复合材料是通过真空热压烧结制备的。所有原料粉末的纯度均超过99.9%，包括B₄C（5-12 μm）、W（5-12 μm）、Fe（1-3 μm）、Cr（5-12 μm）和Sm₂O₃（500 nm）。主要成分的相应含量分别为B₄C 5.5 wt%、W 72.5 wt%、Fe 20.24 wt%和Cr 1.76 wt%。为了研究Sm₂O₃的增强效果，向粉末中添加了不同含量的Sm₂O₃（1.4 wt%、3.5 wt%、5.6 wt%、7.7 wt%和10.5 wt%）。

Sm₂O₃对抗弯性能的增强作用

随着Sm₂O₃含量的增加，WC-硼化物复合材料的抗弯强度逐渐提高（见图2）。与未掺杂样品（抗弯强度为423 ± 79 MPa）相比，添加1.4 wt%的Sm₂O₃后，抗弯强度提高到640 ± 28 MPa，提高了51.3%。进一步增加Sm₂O₃含量至3.5 wt%和5.6 wt%时，抗弯强度分别提高到648 ± 40 MPa（提高了53.2%）和707 ± 63 MPa（提高了67.1%）。

讨论

Sm₂O₃的掺杂有效地实现了WC-硼化物复合材料机械性能、微观结构和热中子屏蔽性能的协同优化。通过调整Sm₂O₃的含量，抗弯强度可达到最佳值751 MPa，相比未掺杂样品提高了77.5%。机械性能的提高与复合材料的微观结构变化密切相关。XRD和SEM结果表明

结论

本研究烧结了一种含有WFeB、WC和Sm₂O₃相的有前景的辐射屏蔽材料。添加Sm₂O₃被证明可以改善烧结WC-硼化物复合材料的机械性能。根据机械测试和微观结构表征的结果，可以得出以下结论：

CRediT作者贡献声明

山琴：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、研究、数据分析。崔洪兵：撰写——初稿、资源获取、研究、数据分析。毛江江：撰写——初稿、方法论、研究、数据分析。娄丽玉：研究、数据分析。史立群：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、监督、研究、资金申请。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFA1607000）和国家自然科学基金（项目编号：12475276）的资助。