Effects of graphite content on microstructure and properties of Cu-graphite-emulsified asphalt composites
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摘要: 以电解铜粉与石墨粉为原料，阴离子乳化沥青为粘结剂，采用粉末冶金技术制备了铜-石墨-乳化沥青复合材料，并通过XRD、EDS和SEM对石墨含量为2wt%~8wt%的铜-石墨-乳化沥青复合材料微观组织进行表征，研究了铜-石墨-乳化沥青复合材料的摩擦磨损性能、力学和电学性能，并与不含乳化沥青的铜-石墨复合材料进行比较。结果表明，乳化沥青可以有效防止石墨颗粒的聚集，对石墨和铜基体起粘结作用；在两相界面处几乎没有间隙，并且产生了层片状石墨；石墨含量为4wt%的试样磨损量最小，仅为0.0049 g，摩擦系数约为0.025；增加载荷和石墨含量会增大磨损量，但会降低摩擦系数；在滑动摩擦期间，磨损表面会出现裂纹、犁沟、凹陷、小颗粒和层片状结构，但其程度要比不含乳化沥青的复合材料低。Abstract: Using electrolytic copper powder and graphite powder as raw materials, anionic emulsified asphalt as binder, the Cu-graphite-emulsified asphalt composites were prepared by powder metallurgy technology, and XRD, EDS and SEM were used to characterize the microstructure of Cu-graphite-emulsified asphalt composites with graphite content of 2wt%-8wt%. The friction and wear properties, mechanical and electrical properties of Cu-graphite-emulsified asphalt composites were studied, and compared with those of Cu-graphite composites without emulsified asphalt. The results show that emulsified asphalt can effectively prevent the aggregation of graphite particles and has a bonding effect on the graphite and Cu matrix; At the interface of the two phases, there is almost no gap and layered graphite being produced; The sample with 4wt% graphite has minimum wear loss of only 0.0049 g, and the friction coefficient is about 0.025; Increasing the load and graphite content will increase the wear loss, but it can reduce the friction coefficients; During sliding friction, cracks, chutes, depressions, small particles and lamellar structures will appear on the worn surface, but the extent is lower than that of composites without emulsified asphalt.
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核技术的应用逐渐广泛，然而，应用核技术会产生高能中子和伽马射线，这些辐射具有强穿透性，会损害人类的身体健康，长时间暴露在辐射环境中，会导致基因突变、癌症甚至死亡[1,2]。因此，高效的辐射屏蔽材料的研究很有必要。
高原子序数和高中子吸收截面的物质分别对于伽马射线和中子辐射具有良好的屏蔽效果[3]。研究人员通常将高原子序数和高中子吸收截面的化合物作为填料，掺杂到基体材料中，研制出可满足应用场合要求的复合屏蔽材料。例如，将CeO2和Er2O3[4]等高原子序数和高中子吸收截面的化合物掺杂到透光性良好的玻璃中，制成可以应用于X光室，CT扫描以及核设施相关领域的观察门窗的玻璃基复合屏蔽材料；金属基材料结构稳定，热学性能好，通过掺杂兼具高原子序数和高中子吸收截面的Gd元素[5]能够有效地提高合金材料的屏蔽性能，可用于极端的辐射环境，例如乏燃料的运输和存储[6]；而聚合物基材料具有可设计性强，无毒环保和易加工等优点，应用较为广泛，可制成辐射防护装备[7]、医疗设施屏蔽材料[8]和核反应堆屏蔽材料[9]。
聚乙烯高分子材料富含的轻核元素H能显著慢化快中子[10]，然后将其转化为热中子，通过掺杂高热中子吸收截面的材料如B4C[11]，可显著提高聚乙烯材料对于热中子的屏蔽性能。含硼聚乙烯复合材料适合作为防中子屏蔽材料，但是由于该复合材料的密度较低，并且碳化硼在俘获热中子的同时会产生次生伽马射线[10]，因此需要掺杂高原子序数的化合物以弥补材料对伽马射线屏蔽能力的不足。
本研究以钨酸钠和醋酸铅为原料，十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)作为表面活性剂，通过铅离子和钨酸根离子的共沉淀反应制备微米纺锤钨酸铅填料；通过改变CTAB的浓度以及反应时间来控制钨酸铅的晶体生长速度，制备出微观尺寸和比表面积有差异的三种微形貌的钨酸铅；随后分别将形貌可控的微米纺锤钨酸铅和商用的无规形貌的钨酸铅作为填料，与碳化硼和聚乙烯粉末球磨混合再热压制成屏蔽中子和伽马射线的复合材料；研究并阐明钨酸铅填料的微结构对复合材料的热学性能、力学性能和辐射屏蔽性能的影响。
1. 实验部分
1.1 实验试剂
钨酸钠二水合物[Na2WO3·2H2O]、醋酸铅三水合物[(CH3COO)2Pb·3H2O]、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和碳化硼(上海麦克林有限公司)，均为分析纯；高密度聚乙烯(HDPE)，(HHW5502LW，中国石化茂名石油化工有限公司)。超纯水由超纯水机(YK-RO-B-15L/H，舒活泉(厦门)人工智能有限公司)制备。
1.2 微米纺锤PbWO4的化学合成
采用铅离子和钨酸根离子的共沉淀法合成钨酸铅填料，称取
3.2985 g Na2WO4·2H2O (10 mmol)和3.7933 g (CH3COO)2Pb·3H2O (10 mmol)溶于50 ml的超纯水中，按照0.001 M、0.05 M和0.3 M 三种浓度称取CTAB并溶于100 ml超纯水中，搅拌至所有样品均充分溶解后，将Na2WO4溶液和CTAB水溶液混合。用滴管将(CH3COO)2Pb溶液滴加至混合溶液中，保温在28℃下反应相应的时间(0.001 M浓度反应时间为30 min，0.05 M和0.3 M浓度反应时间为1H)，本文将0.001 M浓度CTAB的反应时间缩短至30 min，以得到三种在微观尺寸和比表面积上差异显著的钨酸铅填料。将反应完成的乳浊液经离心后，得到的沉淀产物在60℃恒温干燥6H。得到的PbWO4填料分别记为PbWO4-I (CTAB浓度为0.001 M)、PbWO4-II (CTAB浓度为0.05 M)和PbWO4-III (CTAB浓度为0.3 M)。1.3 PbWO4-B4C/HDPE复合材料的制备
PbWO4-B4C/HDPE复合板材中PbWO4、B4C和HDPE的质量比为2∶1∶7，碳化硼/聚乙烯板材中B4C和HDPE的质量比为3∶7。使用球磨机(MSK-SFM-3-II，合肥科晶材料技术有限公司)将PbWO4填料、B4C和HDPE粉末混合球磨15 min，球磨速率设置为800 r/min。将360 g混合粉末倒入15×15×1.5 cm的方形热压模具，将模具放置在热压机(R32212017，武汉启恩科技发展有限责任公司)中，将热压机的温度设置为160℃，依次在10 MPa、30 MPa和50 MPa三种压力下分别保温15 min、30 min和1H。最后，关闭加热装置、打开冷却水、经过泄压和脱模等操作后得到复合材料。将复合材料分别记为PbWO4-I-B4C/HDPE; PbWO4-II-B4C/HDPE; PbWO4-III-B4C/HDPE; PbWO4-commercial-B4C/HDPE。
1.4 微米纺锤PbWO4和PbWO4-B4C/HDPE复合材料的表征与测试
采用X射线衍射仪(SmartLab SE，日本理学株式会社)，在2θ = 20°~60°下测试得到PbWO4材料的XRD谱图，确定PbWO4的物相组成。采用SEM(Regulus 8100，日本株式会社日立制作所)观察PbWO4填料的微观形貌与结构。采用比表面积和孔径分析仪(ASAP 2460，美国麦克仪器公司)，将填料经过200℃下真空干燥6H后，在N2环境下对样品进行BET比表面积分析。采用热重分析仪(TGA 550，美国TA公司)和差示扫描量热仪(Q2000，美国TA公司)测试材料热稳定性，热重测试温度范围为20 ~ 700℃，差热测试温度范围为30~250℃，升温速率皆为10℃/min。采用电子万能材料试验机(AGS-X-50N，日本岛津公司)测试材料的力学性能。采用邵氏硬度计(LX-D-2，东莞三量精密量仪有限公司)测试材料的硬度，重复测量10次，取平均值，得到样品的邵氏硬度值。采用密度计(MDJ-1200T，上海仪昕科学仪器有限公司)测量材料的密度，重复测量5次，取平均值，得到材料的密度。伽马射线屏蔽测试装置由铅准直屏蔽筒、137Cs伽马射线源和便携式辐射探测器组成，示意图如图1(a)所示。具体测试过程如下：(1)使用便携式辐射探测器测量自然环境下的本底伽马射线剂量率读数Iγ0(未放置137Cs伽马射线源和屏蔽材料)；(2)测试放置137Cs伽马射线源但未放置屏蔽材料的伽马射线剂量率读数Iγa；(3)测量放置屏蔽材料后经过衰减的伽马射线剂量率读数Iγb；(4)每组数据重复10次，结果取平均值(单位为μSv/h)，屏蔽材料对于137Cs伽马射线源的屏蔽率：Sγ=1−(Iγb−Iγ0)/(Iγa−Iγ0)。
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图 1 伽马射线(a)和中子(b)辐射屏蔽测试装置示意图Figure 1. Schematic diagrams of gamma-ray(a) and neutron (b) radiation shielding test devices中子屏蔽测试装置由聚乙烯准直屏蔽筒、252Cf中子源和中子探测器组成，示意图如图1(b)所示。具体测试过程如下：(1)使用中子探测器测量自然环境下的本底中子剂量率读数In0(未放置252Cf中子源和屏蔽材料)；(2)测试放置252Cf中子源但未放置屏蔽材料的中子剂量率读数Ina；(3)测量放置屏蔽材料后经过衰减的中子剂量率读数Inb；(4)每组数据重复10次，结果取平均值(单位为mSv/h)，屏蔽材料对于252Cf中子源的屏蔽率：Sn=1−(Inb−In0)/(Ina−In0)。
2. 结果与讨论
2.1 微米纺锤PbWO4填料和PbWO4-B4C/HDPE复合材料的微结构表征
合成的PbWO4填料(PbWO4-I、PbWO4-II和PbWO4-III)和商业PbWO4填料的XRD谱图如图2所示。与标准衍射峰(JCPDS: 19-0708)相比，PbWO4填料的XRD谱图与其吻合度高，这表明合成填料没有杂质相，由于部分晶面的生长受到抑制导致该晶面的衍射峰强度太低，因此在图谱中不明显。合成PbWO4填料的4个主要晶面的衍射峰强度比值见表1，例如r(112 : 204)表示(112)和(204)晶面的衍射峰的强度比，rs(112 : 204)表示从标准衍射卡(JCPDS: 19-0708)中得到的(112)和(204)晶面之间衍射峰的强度比，r/rs(112 : 204)的比值大小可反应(204)晶面相对于(112)晶面得到了促进(比值<1)还是抑制(比值>1)[12]。结果显示，所有纺锤PbWO4填料的r/rs比值的大小关系: r/rs(112 : 204) > 1 > r/rs(112 : 312) > r/rs(112 : 200)，这表明(204)晶面的晶体生长受到抑制; (200)和(312)晶面的生长受到促进，且(200)晶面的生长优先度要高于(312)晶面。因此综上所述，合成PbWO4的晶面生长优先度为(200) > (312) > (112) > (204)。
图3为不同浓度的CTAB水溶液，在相应的反应时间下制备的PbWO4以及商业PbWO4的电镜照片。在反应溶液中形成微米纺锤PbWO4主要涉及两种晶体生长机制。在晶体生长的初期主要是“奥斯特瓦尔德熟化过程”[13]。在该过程中，PbWO4首先在过饱和溶液中通过结晶过程形成纳米级的晶核，小晶粒由于表面能较高而易于溶解，随后沉积到周围的大晶粒上[14]，大晶粒的生长以小晶粒为代价，大晶粒逐渐长大，小晶粒逐渐消失，最初的形貌无规的纳米级颗粒通过该熟化过程形成棱锥体颗粒，如图3(a)所示，因此PbWO4-I填料的形貌一部分为尚未完成熟化过程的纳米级颗粒，以及完成熟化过程的棱锥体和尺寸较小的微米纺锤颗粒，颗粒尺寸大多在1-2 μm左右。之后是这些棱锥体颗粒沿着一定的晶体取向逐渐生长的过程，这被称为“定向附着生长”机制[15]。相邻的棱锥体颗粒通过共用晶面定向生长进而形成微米纺锤结构，如图3(b)和(c)所示，PbWO4-II微米纺锤颗粒微观尺寸为3-5 μm，而PbWO4-III填料是尺寸大多在5-9 μm之间的较大的微米纺锤结构。CTAB作为一种表面活性剂[16]，对溶液中的晶体生长起到一定的促进作用，通过控制CTAB的浓度以得到三种不同的晶体生长形态。商业PbWO4电镜照片如图3(d)所示，多数是大尺寸的块状物，并且周围伴随着一些细碎的颗粒，整体呈现为微观尺寸差异大且形貌无规则的结构。图4为各PbWO4填料的EDS谱图，无杂质峰，且所有谱图显示的Pb : W : O的原子比约为17.8∶16.3∶65.9，与PbWO4的标准原子比1∶1∶4相近，表明PbWO4的纯度较高。
表 1 合成PbWO4填料的不同晶面的衍射峰强度比值Table 1. The intensity ratio of diffraction peaks of different crystal planesMaterial r
(112:200)rs
(112:200)r/rs
(112:200)r
(112:204)rs
(112:204)r/rs
(112:204)r
(112:312)rs
(112:200)r/rs
(112:312)PbWO4-I 2.73 3.33 0.82 4.42 2.86 1.55 3.13 2.86 1.09 PbWO4-II 2.68 0.8 4.37 1.53 2.46 0.86 PbWO4-III 2.65 0.79 3.38 1.18 2.55 0.89 Notes: r value represents the intensity ratio of diffraction peaks of crystal planes; rs value represents the intensity ratio of diffraction peaks of crystal planes in the standard diffraction card (JCPDS: 19-0708). ![]()
图 3 PbWO4-I(a)、PbWO4-II(b)、PbWO4-III(c) and PbWO4-commercial(d)填料的SEM照片Figure 3. SEM images of PbWO4-I(a)、PbWO4-II(b)、PbWO4-III(c) and PbWO4-commercial fillers(d)![]()
图 4 PbWO4-I(a)、PbWO4-II(b)、PbWO4-III(c) and PbWO4-commercial(d)填料的EDS谱图Figure 4. EDS spectra of PbWO4-I(a)、PbWO4-II(b)、PbWO4-III(c) and PbWO4-commercial fillers(d)图5为各PbWO4填料的N2吸附-脱附等温线和孔径分布图，PbWO4-I、PbWO4-II、PbWO4-III和PbWO4-commercial商业填料的比表面积分别为0.64 m2/g、1.02 m2/g、1.76 m2/g和0.21 m2/g。从孔径分布图可以看出，PbWO4填料的比表面积越高，其包含的介孔数量越多; 由于棱锥体颗粒在自组装的过程中会形成很多微小的裂隙，而尺寸越大的微米纺锤PbWO4含有的缝隙就越多，因此其比表面积就越高。
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图 5 不同PbWO4填料的吸附脱附曲线和孔径分布图Figure 5. Nitrogen adsorption-desorption curves and pore size distributions of different PbWO4 fillers图6为各不同PbWO4填料制成的复合材料的断面SEM图像。从图中可以看出，混合球磨不会对填料形貌造成太大影响，球磨后只产生少量碎片。同时合成的PbWO4在基体中具有良好的均匀分散性，且明显优于商用的PbWO4填料，这是由于合成的三种PbWO4填料的尺寸较小，尺寸大小均一，这更有利于填料在基体中的均匀分布[17]。
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图 6 不同复合材料的断面SEM图：PbWO4-I-B4C/HDPE (a)、PbWO4-II-B4C/HDPE (b)、PbWO4-III-B4C/HDPE (c)和 PbWO4-commercial-B4C/HDPE (d)Figure 6. SEM images of fracture surface of PbWO4-I-B4C/HDPE (a)、PbWO4-II-B4C/HDPE (b)、 PbWO4-III-B4C/HDPE (c) and PbWO4-commercial-B4C/HDPE (d)2.2 热稳定性
图7为HDPE，B4C/HDPE和各不同PbWO4填料增强复合材料的TGA曲线。由图7(a)可知，所有屏蔽材料的热分解过程都是典型的单步热分解过程。各材料的初始分解温度(T5%)和半分解温度(T50%)列于表2。所有材料的T5%都大于460℃，呈现出良好的热稳定性，因此，掺杂PbWO4和B4C填料并不会对复合材料的热稳定性造成负面影响，并且微米纺锤PbWO4作为填料的复合材料的T5%和T50%都高于形貌无规则的商业PbWO4作为填料的复合材料。由于B4C粉末硬度较高，在与HDPE粉末混合球磨时会进一步地细化HDPE粉末，造成HDPE的分子链断裂，材料的分子量减小，从而导致材料的T5%降低[18]，因此所有复合材料的T5%与HDPE相比略有降低。图7(b)为各样品的DSC数据，Tp为DSC曲线吸热峰的峰值温度，对比所有掺杂PbWO4复合材料的Tp可知，随着填料的比表面积的增加，Tp随之增加，复合材料的热稳定性也随之增加；这是由于高比表面积的填料能够在基体材料中提供更多的限制位点[19]，填料对基体材料分子链的热振动起到更多的限制，从而提高复合材料的热稳定性[20]。由此可知，通过调控PbWO4的形貌，提高填料的比表面积，能够有效地改善复合材料的热稳定性。
表 2 不同材料的热学性能参数Table 2. Thermal parameters of different materialsMaterial T5%/℃ T50%/℃ Tp/℃ HDPE 471.4 497.7 131.1 B4C/HDPE 464.3 497.1 131.4 PbWO4-commercial-B4C/HDPE 460.5 495.2 130.2 PbWO4-I-B4C/HDPE 464.2 498.4 130.6 PbWO4-II-B4C/HDPE 465.3 499.3 131.5 PbWO4-III-B4C/HDPE 460.7 499.1 132.2 Notes: T5% represents the initial thermal degradation temperature; T50% represents the semi-degradation temperature; Tp represents the peak temperature of the endothermic peak. 2.3 力学性能
图8(a)为HDPE、B4C/HDPE和PbWO4-B4C/ HDPE复合材料的应力应变曲线。各材料的力学性能参数列于表3。通过对比可知，所有复合材料的杨氏模量和屈服应力(σy)均大于HDPE，这是由于刚性填料B4C对HDPE聚合物链段有加固作用，限制了HDPE链段的相对运动[21]；并且通过调控PbWO4填料的微观形貌以提高其比表面积，能够有效地提高复合材料的力学性能。例如复合材料的屈服应力从商业PbWO4作为填料的16.67 MPa提高到合成微米纺锤PbWO4-III作为填料的19.78 MPa，拉伸强度(σb)从19.40 MPa提升至20.09 MPa。这是因为高比表面积的填料能够在基体材料中提供更多的限制位点[19]，对HDPE基体分子链运动时的阻碍作用更大，对复合材料的力学性能的提升更好。PbWO4填料在提高复合材料屈服应力的同时保留了HDPE基体材料良好的拉伸强度和韧性，这是由于Pb的延展性好，能够产生较大的微观塑性形变[22]，使得PbWO4增强复合材料的断裂伸长率高于HDPE。因此高比表面积的PbWO4增强填料对复合材料的力学性能有显著的提升。
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图 8 不同材料的应力应变曲线(a)和邵氏硬度柱状图(b)Figure 8. Stress-strain curve(a) and shore hardness(b) of different materials表 3 不同材料的力学性能参数Table 3. Mechanical parameters of different materialsMaterial Shore hardness/HD Young’s modulus/MPa Yield stress(σy)/MPa Tensile stress(σb)/MPa Elongation at break/% HDPE 56.6 ± 1.1 206.2 16.01 20.89 369.1 B4C/HDPE 67 ± 2.2 487.5 21.23 19.19 111.7 PbWO4-commercial-B4C/HDPE 57.2 ± 2.1 234.1 16.67 19.40 395.7 PbWO4-I-B4C/HDPE 58.4 ± 2.1 248.4 17.74 19.14 419.9 PbWO4-II-B4C/HDPE 59.3 ± 2.3 325.9 18.26 19.64 493.1 PbWO4-III-B4C/HDPE 59.5 ± 1.7 353.1 19.78 22.09 423.4 图8(b)为所有材料的邵氏硬度柱状图，由图可知，添加了刚性填料B4C之后，材料的硬度得到提高，并且复合材料的硬度与刚性填料的含量正相关[23]，因此B4C/HDPE复合材料(B4C含量最高)的硬度要显著优于其他材料；同时微米纺锤PbWO4复合材料的硬度高于商业PbWO4复合材料，这是由于尺寸均一且高比表面积的填料在基体中的均匀分散性更高，对复合材料的刚度和硬度等力学性能的提升作用就更大[24]。
2.4 辐射屏蔽性能
图9是不同材料(厚度为1.5 cm)对中子(a)和伽马射线(b)透射率对比图，从图中可以看出，所有掺杂PbWO4填料的板材，其中子和伽马射线屏蔽率都得到了显著地提升，这是由于Pb和W元素的快中子吸收截面要高于B元素[25,26]，而252Cf中子源的主要的中子能量区间在0.1 MeV-10 MeV，属于快中子能量区间[27]，因此添加PbWO4有助于提高复合材料对快中子的屏蔽率。同时Pb和W作为高原子序数的材料，能够有效地增加伽马光子与材料的相互作用概率[28]，从而提高材料的伽马射线辐射屏蔽率。并且对比不同颗粒尺寸的微米纺锤PbWO4填料以及商业PbWO4填料的中子和伽马射线透射率可知，通过调控PbWO4的晶体生长并提高填料的比表面积,可以增加填料与辐射相互作用概率[29]，从而提高材料的辐射屏蔽性能。
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图 9 不同材料在1.5 cm厚度下对252Cf中子源(a)和137Cs伽马射线源(b)的透过率Figure 9. Transmittance of 252Cf neutron source (a) and 137Cs gamma-ray source (b) by different materials at 1.5 cm thickness图10为HDPE、B4C/HDPE和PbWO4-III-B4C/ HDPE三种屏蔽材料根据比尔-朗伯定律[30]拟合得到的中子和伽马射线衰减曲线。通过密度计测量材料的密度以及根据文献[31]计算得到的屏蔽性能参数列于表4(PbWO4-I-B4C/HDPE、PbWO4-II-B4C/HDPE和PbWO4-commercial-B4C/HDPE复合材料的密度分别为1.192 g·cm−3、1.204 g·cm−3和1.150 g·cm−3)。通过拟合得到的衰减曲线可知，三种材料对于252Cf中子源的屏蔽率要达到95%所需的厚度(S95%,n)分别为15.4 cm、14.8 cm和13.0 cm。中子总截面(Σ)数值分别为0.18 cm−1、0.19 cm−1和0.22 cm−1，这表明PbWO4-III/B4C/HDPE材料对于中子的屏蔽效果最优。三种材料对于137Cs伽马射线源的屏蔽率要达到65%所需的厚度(S65%,γ)分别为15.0 cm、13.3 cm和11.0 cm，并且PbWO4-III-B4C/HDPE材料的线性衰减系数(μ)和质量衰减系数(μm)要大于其他两种材料,同时材料的半值层(HVL，定义为将初始辐射强度降低到一半时所需要的材料厚度)和平均自由程(MFP，定义为粒子在两次连续碰撞之间移动的平均距离)都要小于其他两种材料。这意味着该材料和伽马光子发生相互作用的概率最大。综上所述，PbWO4-III-B4C/HDPE复合材料的辐射屏蔽性能最优。
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图 10 不同材料的中子衰减曲线(a)和伽马射线衰减曲线(b)Figure 10. Neutron decay curves (a) and gamma-ray decay curves (b) for different materials表 4 不同材料的中子和伽马射线屏蔽性能参数Table 4. Neutron and gamma-ray shielding performance parameters of different materialsMaterial ρ/(g·cm−3) S95%,n/cm Σ/cm−1 S65%,γ/cm μ/cm−1 μm/cm−1 HVL/cm MFP/cm HDPE 0.941 15.4 0.18 15.0 0.067 0.071 10.35 14.92 B4C/HDPE 1.069 14.8 0.19 13.3 0.079 0.074 8.77 12.66 PbWO4-III-B4C/HDPE 1.195 13.0 0.22 11.0 0.099 0.083 8.35 10.10 Notes: ρ represents the density of the material; S95%,n represents the thickness of the material required to achieve 95% shielding against 252Cf neutron source; Σ represents the total neutron cross section; S65%,γ represents the thickness of the material required to achieve 65% shielding against 137Cs gamma-ray source; μ represents linear attenuation coefficient; μm represents mass attenuation coefficient; HVL represents the thickness of the material required to reduce the initial radiation intensity to half. MFP is defined as the average distance a particle moves between two consecutive collisions. 3. 结论
通过WO42-和Pb2+的共沉淀法合成了微米纺锤PbWO4，并控制溶液中表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的浓度以及反应时间来调控PbWO4的微观结构。从而得到微观尺寸和比表面积不同的三种PbWO4填料。通过和形貌无规且颗粒尺寸差异大的商业PbWO4做对比，研究填料的微观尺寸和比表面积对复合材料的热稳定性、力学性能和屏蔽性能的影响。结果表明：
(1)合成的微米纺锤PbWO4填料比表面积高于商业PbWO4，能够在高密度聚乙烯(HDPE)基体中提供更多的限制位点，对于HDPE分子链的热振动阻碍作用更大，从而对复合材料的热稳定性提升更加显著。
(2)比表面积较高的合成微米纺锤PbWO4填料能够在HDPE基体中提供更多的限制位点，更多地限制HDPE基体分子链在受力状态下的相对位移，对复合材料的拉伸强度提升更大，同时Pb具有良好的延展性，能够提高复合材料的断裂伸长率和韧性。
(3)由于Pb和W的快中子吸收截面较高，通过添加PbWO4填料能够显著提高复合材料对于快中子的屏蔽性能，且比表面积高的合成微米纺锤PbWO4填料能够有效增加材料与辐射粒子相互作用的概率，提升材料的辐射屏蔽性能。屏蔽性能最优的PbWO4-III-B4C/HDPE复合材料在1.5 cm的厚度时的Σ、μ和μm分别为0.22 cm−1、0.099 cm−1和0.083 cm−1；厚度为13.0 cm时，中子屏蔽率达95%；厚度为11 cm时，伽马射线屏蔽率达65%，各项性能均优于商业PbWO4复合材料。
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图 1 铜-石墨-乳化沥青复合材料试样烧结过程示意图
Figure 1. Schematic diagram of sintering process of Cu-graphite-emulsified asphalt composite samples
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图 2 含4wt%石墨的铜-石墨-乳化沥青复合材料的XRD图谱
Figure 2. XRD pattern of the Cu-graphite-emulsified asphalt composites with 4wt% graphite
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图 3 含4wt%石墨的铜-石墨-乳化沥青复合材料的SEM图像和EDS图谱
Figure 3. SEM image and EDS spectra of Cu-graphite-emulsified asphalt composites with 4wt% graphite
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图 4 不同石墨含量下烧结态与复压态的铜-石墨-乳化沥青复合材料的SEM图像 ((a)、(b)中不含乳化沥青)
Figure 4. SEM images of sintered and recompressed Cu-graphite-emulsified asphalt composites with different graphite contents (Without emulsified asphalt in (a) and (b))
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图 5 不同石墨含量的铜-石墨-乳化沥青复合材料界面的SEM图像
Figure 5. SEM images of the interface of Cu-graphite-emulsified asphalt composites with different graphite contents
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图 6 不同石墨含量的铜-石墨-乳化沥青复合材料试样在不同状态下的密度
Figure 6. Densities of Cu-graphite-emulsified asphalt composite samples with different graphite contents in different states
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图 7 不同石墨含量的铜-石墨-乳化沥青复合材料试样在不同状态下的维氏硬度
Figure 7. Vickers hardness of Cu-graphite-emulsified asphalt composite samples with different graphite contents in different states
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图 8 铜-石墨-乳化沥青复合材料试样的电阻率随不同石墨含量的变化
Figure 8. Resistivity of Cu-graphite-emulsified asphalt composite samples varied with different graphite contents
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图 9 不同石墨含量和4wt%石墨含量铜-石墨-乳化沥青复合材料试样的磨损量与摩擦系数
Figure 9. Friction loss and friction coefficient of Cu-graphite-emulsified asphalt composite samples with different graphite contents and 4wt% graphite content
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