[发明专利]一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法

说明书

本发明公开了一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，首先使用三维建模软件进行三维交织结构建模，再通过有限元工程分析软件进一步进行设计与优化结构，得到骨架的打印路径；然后将骨架材料、多种核射线屏蔽材料和光电材料分别均匀分散，制备3D打印专用材料；接着按照打印路径，采用骨架材料打印出三维交织结构的骨架；在骨架外部，采用多种核射线屏蔽材料打印出外侧填充结构；在骨架内部，采用光电材料打印出内部填充结构；最后通过层层堆叠打印，直至加工出核辐射屏蔽的轻质增材样品。本发明通过增材制造工艺实现复杂的结构化设计并做到实体的加工与制造，克服了核辐射屏蔽体传统制造加工的缺陷。

技术领域

本发明涉及核辐射屏蔽设计领域，具体涉及一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法。

背景技术

核燃料在反应堆裂变的过程中，会产生大量的逃逸中子、伽马射线等多种射线。在屏蔽防护层的设计当中，因为核辐射种类较多且微观粒子运动时表现的不确定性，往往是用厚实致密的屏蔽材料进行简单的层层叠加和包裹进行屏蔽。受制于传统制造技术上的缺陷，每层屏蔽材料又只能单独制造成形，故而存在着屏蔽体复杂结构难成形、层与层之间力学性能差、研制周期长、加工难度大等问题。同时传统屏蔽材料大多形式单一，密度大，又难以满足未来对核反应堆小型化、轻量化、可移动性的要求。

另外，核辐射中以伽马射线为代表的多种电磁波射线，其屏蔽机理一直主要是用铅、钨等重原子序数材料吸收降能，大量的光子能最终以热能的形式传播了出去，并没有得到一定的有效转化与利用。

有鉴于此，确有必要提出一种针对多射线防护及并行自发电的轻质核辐射屏蔽体，并以先进的增材制造技术实现制造成形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，以解决核辐射屏蔽体传统结构笨重、缺乏灵活机动的缺点，通过光电材料实现核射线中部分光子能转换实现自发电，同时解决屏蔽体复杂结构的工艺成型问题，本发明通过增材制造工艺实现复杂的结构化设计并做到实体的加工与制造，克服了核辐射屏蔽体传统制造加工的缺陷。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多射线屏蔽和自发电功能的轻质屏蔽体增材制造方法，包括以下步骤：

步骤一：使用三维建模软件进行三维交织结构建模，再通过有限元工程分析软件进一步进行设计与优化结构，得到骨架的打印路径；

步骤二：将骨架材料、多种核射线屏蔽材料和光电材料分别均匀分散，制备3D打印专用材料；

步骤三：按照打印路径，采用骨架材料制备的3D打印专用材料打印出三维交织结构的骨架；在骨架外部，采用多种核射线屏蔽材料制备的3D打印专用材料打印出外侧填充结构；在骨架内部，采用光电材料制备的3D打印专用材料打印出内部填充结构；

步骤四：通过层层堆叠打印，直至加工出核辐射屏蔽的轻质增材样品。

进一步地，所述骨架采用含氢聚合物轻质材料。

进一步地，所述骨架材料具有一定的快中子慢化和力学性能，骨架材料采用聚乙烯、聚醚醚酮、尼龙、环氧树脂和聚酯纤维中任意一种单材料或至少两种材料组合的混合材料。

进一步地，所述多种核射线屏蔽材料采用针对中子、低能伽马及X射线的吸收材料。

进一步地，所述多种核射线屏蔽材料是两类材料的组合，一类针对慢中子吸收用的材料，采用单质硼、碳化硼、氮化硼中的一种单材料或至少两种组合的混合材料，另一类是针对低能伽马和X射线屏蔽用的材料，采用钨、碳化钨、铅、氧化铋中的一种单材料或至少两种组合的混合材料。

进一步地，所述光电材料采用三维致密的光电薄膜材料。

进一步地，所述光电材料采用钙钛矿、Mxene中的单材料或这两类材料组合的混合材料。