包含輻射吸收材料的輻射屏蔽材料與其形成方法
【專利說明】
[0001] 本申請要求2013年2月11日提交的美國臨時申請No. 61763178和2013年12月 31日提交的美國專利申請No. 14145703的權(quán)益，這些美國申請的全部內(nèi)容通過引用并入本 文。
技術領域
[0002] 本發(fā)明涉及輻射屏蔽復合材料，更特別涉及包含輻射吸收材料的輻射屏蔽復合材 料。
【背景技術】
[0003] 輻射是指其中全電磁光譜的電磁波以及能量粒子（包括原子與次原子）穿過介質(zhì) 的過程。輻射大致分為離子化輻射與非離子化輻射。中子輻射為一種離子輻射，由自由中 子組成。與其他離子化輻射如高破壞力的X-射線或伽瑪輻射相比，中子輻射對人體造成的 生物傷害更強。因此需要提供中子屏蔽材料以屏蔽阻擋中子輻射，從而在中子輻射存在的 場所保護雇員與一般民眾。此外，飛行器飛航時可能接觸含有宇宙中子的宇宙輻射，而中子 輻射可能干擾或損害飛行器上的電子裝置，造成慘重事故的可能性。因此，為飛航中的電子 儀器提供合適的中子屏蔽為重要課題。
[0004] 常規(guī)屏蔽中子的方式包括使用氫原子將快中子減速至慢熱中子，再以具有較大中 子吸收截面積的中子吸收元素吸收慢熱中子。為有效屏蔽中子，中子屏蔽材料需包含至少 一種具有大量氫的材料，以及至少一種具有大中子吸收截面的中子吸收元素。當中子屏蔽 材料中的氫越多，則中子減速的效果越強。由于聚乙烯（PE)含有大量氫，通常可用于中子 屏蔽部件。中子吸收元素的實例包含硼（B)、鋰（Li)、鎘（Cd)、鐵（Fe)、鉛（Pd)、和鎵（Ga)。 由于硼（B)易于取得，因此為常見的中子吸收元素。
[0005] 形成中子屏蔽材料的常規(guī)方法包括將含硼化合物如氧化硼（B2O3)或碳化硼（B 4C) 混摻至高氫密度的基材中，以形成具有高中子屏蔽能力的復合材料。然而，此中子屏蔽材料 中大部份的硼原子將聚集成微米尺寸的團簇物。無單獨的硼原子分散于硼原子的團簇物之 間，使中子屏蔽材料難以捕獲入射中子。因此，入射中子可穿過中子屏蔽材料而不滿足屏蔽 功效。改善此中子屏蔽部件的性能需要將額外大量的硼化合物添加至基材中，或增加復合 材料的厚度。然而大量的硼化物會增加成本，而較厚的屏蔽部件可能不適用于某些應用如 防護衣或防護面具。
[0006] 近來有報導指出包含納米尺寸的原子級輻射吸收材料的輻射屏蔽部件可改善輻 射吸收效能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的一實施方式提供一種輻射吸收材料。所述輻射吸收材料包括：載體；以 及異質(zhì)元素（heterogeneous element)，摻雜于載體中，且異質(zhì)元素于載體中的含量大于15 原子％。
[0008] 本發(fā)明的另一實施方式提供一種輻射屏蔽復合材料。所述輻射屏蔽復合材料包 括：基材；以及分散于基材中的輻射吸收材料，。
[0009] 本發(fā)明的又一實施方式提供一種輻射吸收材料的制備方法。所述方法包括：將載 體與用于異質(zhì)元素的異質(zhì)元素前驅(qū)物（precursor)加入溶劑中；混合溶劑中的載體與異質(zhì) 元素前驅(qū)物以制備溶液；以及于載體與異質(zhì)元素前驅(qū)物之間誘發(fā)熱反應，以形成輻射吸收 材料，其中載體摻雜異質(zhì)元素。所述熱反應進行于反應氣體中。
[0010] 本發(fā)明的再一實施方式提供一種輻射屏蔽復合材料的制備方法。所述方法包括： 將載體與用于異質(zhì)元素的異質(zhì)元素前驅(qū)物加入溶劑中；混合溶劑中的載體與異質(zhì)元素前驅(qū) 物以制備溶液；加熱溶液以移除溶劑，并干燥載體與異質(zhì)元素前驅(qū)物以制備混合粉末；于 載體與異質(zhì)元素前驅(qū)物之間誘發(fā)熱反應，以形成輻射吸收材料，其中載體摻雜異質(zhì)元素，熱 反應進行于反應氣體中，且反應氣體包含惰性氣體與蝕刻氣體；混合輻射吸收材料與基材， 以制備混合物；以及處理混合物，以形成輻射屏蔽復合材料。
[0011] 應理解的是，前述一般性描述和隨后的詳細描述均僅僅是示例性和說明性的，而 非對本申請請求保護的發(fā)明的限制。
【附圖說明】
[0012] 下面的附圖加入本說明書并構(gòu)成本說明書的一部分，連同隨后的詳細一起來說明 本發(fā)明的實施方式，用于解釋本發(fā)明的原理。
[0013] 圖1示出了一示例性實施方式的輻射屏蔽復合材料的示意圖。
[0014] 圖2示出了一種嵌入摻雜的示意圖。
[0015] 圖3示出了另一種嵌入摻雜的示意圖。
[0016] 圖4示出了取代摻雜的示意圖。
[0017] 圖5示出了一示例性實施方式的制備輻射吸收材料的方法的流程圖。
[0018] 圖6A示出了一比較例的未經(jīng)任何預處理的制備的納米碳管與硼前驅(qū)物制備的混 合物的示意圖。
[0019] 圖6B示出了一示例性實施方式的經(jīng)預處理工序的制備的納米碳管與硼前驅(qū)物制 備的混合物的示意圖。
[0020] 圖7示出了一示例性實施方式的反應器的示意圖。
[0021] 圖8A與8B示出了在經(jīng)預處理與未經(jīng)預處理的樣品上測量的硼原子濃度對應于反 應溫度的曲線圖。
[0022] 圖9A與9B示出了在使用不同的反應氣體制備的樣品上測量的硼原子濃度對應于 反應溫度的曲線圖。
[0023] 圖10示出了在使用不同反應氣體制備的樣品上測量的XPS光譜。
[0024] 圖11示出了一示例性實施方式中，在制備的樣品上測量的EELS光譜。
[0025] 圖12A與12B示出了在不同的輻射屏蔽復合材料上測量的輻射衰減率（1/1。）對 應于厚度的曲線圖。
【具體實施方式】
[0026] 下述將搭配附圖詳述本發(fā)明的實施方式與實例，并盡可能以相同附圖標記標示附 圖中相同或類似的部件。
[0027] 下述實施方式提供輻射屏蔽復合材料。圖1為一示例性實施方式的輻射屏蔽復合 材料100的示意圖。輻射屏蔽復合材料100包含輻射吸收材料110,分散于基材120中。輻 射吸收材料110還包含載體130,以及摻雜于載體130中的異質(zhì)元素140。
[0028] 基材120包含高分子、陶瓷材料、金屬、合金、纖維、纖維素、二氧化娃（SiO2)、和 硅。高分子基材包含以下物質(zhì)中的至少一種：聚乙烯醇（PVA)、聚乙烯（PE)、高密度聚乙烯 (HDPE)、低密度聚乙烯（LDPE)、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA)、 環(huán)氧樹脂、和橡膠。金屬基材包含以下物質(zhì)中的至少一種：不銹鋼、鋁（A1)、鈦（Ti)、鋯 (Zr)、鈧（Sc)、釔（Y)、鈷（Co)、鉻（Cr)、鎳（Ni)、鉭（Ta)、鉬（Mo)、和鎢（W)。
[0029] 輻射吸收材料110通過均化方法分散于基材120中，所述均化方法包括以下方法 中的至少一種：混摻、混合、復合（compounding)、超聲波輔助均化、球磨（ball milling)、 碾磨（milling)、和氣流碾磨（jet milling)。
[0030] 輻射吸收材料
[0031] 如前所述，輻射吸收材料110包含載體130,與摻雜于載體130中的異質(zhì)元素140。 載體130可包含零維（OD)材料、一維（ID)材料、二維（2D)材料和三維（3D)材料中的至少 一種。零維納米材料的實例