一种用于高能射线防护的钛基复合铅材料及其制备方法与流程

本技术涉及辐射防护材料，并且更具体地，涉及一种用于高能射线防护的钛基复合铅材料及其制备方法。

背景技术：

1、x射线和γ射线等高能射线广泛应用于医疗放疗、工业探伤、核工业、军工航天等领域。在上述应用场景中，射线防护材料需要对高能射线具有足够的屏蔽能力，同时还需要满足结构承载、安装施工、长期服役安全性以及环境友好性的要求。随着对辐射防护材料要求的不断提高，如何提高复合铅材料的结构稳定性和射线屏蔽性能，是亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种用于高能射线防护的钛基复合铅材料及其制备方法，能够提高钛基复合铅材料的结构稳定性和射线屏蔽性能。

2、第一方面，提供了一种钛基复合铅材料，包括至少一个钛基复合层，钛基复合层包括钛基体、铅相和金属相，金属相至少部分分布于钛基体与铅相之间；基于钛基复合层的总体积计，钛基体的体积百分比满足60 vol%～77 vol%，铅相的体积百分比满足20 vol%～35vol%，金属相的体积百分比满足1 vol%～8 vol%。

3、在该实施例中，钛基体作为主体骨架，可以提高材料抗拉强度、耐碰撞能力和服役稳定性。钛基体的体积百分比满足60 vol%～77 vol%，可以保证材料具有较为稳定的承载骨架；钛基体的体积百分比小于60 vol%，材料骨架支撑作用不足；钛基体的体积百分比大于77 vol%，铅相含量相应降低，可能造成材料射线屏蔽效率不足。铅相作为高原子序数屏蔽相，其体积百分比满足20 vol%～35 vol%，可以提高材料对射线的阻挡和衰减能力，并降低铅含量过高造成的局部堆积或材料密度过高。金属相至少部分分布于钛基体与铅相的接触界面之间；金属相含量小于1 vol%，界面过渡和结合改善作用不足；金属相含量大于8vol%，可能削弱钛基体骨架连续性。通过上述配比及界面分布，可以降低界面分离和铅相团聚风险，提高钛基复合铅材料的结构稳定性和射线屏蔽性能。

4、在一种可能的实现方式中，金属相的材料包括铜和/或镍。

5、在该实施例中，铜或镍能够作为钛基体与铅相之间的过渡金属相，缓解钛与铅之间润湿性差、界面结合弱的问题。金属相的材料为铜，铜能够改善界面润湿和结合状态，降低铅相局部起伏、脱粘或剥离的风险；金属相的材料为镍，镍能够提高界面结构的热稳定性和长期服役稳定性，从而有利于提高钛基复合铅材料的结构稳定性和界面稳定性。

6、在一种可能的实现方式中，金属相的体积平均粒径dv50满足：1 μm～3 μm。

7、在该实施例中，金属相粒径大于3 μm，难以充分进入钛粉和铅粉之间的细小间隙，容易造成局部区域缺少过渡相；金属相粒径小于1 μm，粉末比表面积过大，容易发生团聚或氧化，反而不利于分散。因此，1 μm～3 μm的粒径范围内的金属相，更易进入钛粉与铅粉之间的颗粒间隙，从而增加金属相与钛基体、铅相之间的接触面积，能够提高材料的界面填充能力和粉末分散稳定性，提高复合铅材料中铅层的覆盖稳定性，从而提高复合铅材料的界面稳定性。

8、在一种可能的实现方式中，钛基体的材料包括钛粉，钛粉的体积平均粒径dv50满足：20 μm～50 μm。

9、在该实施例中，钛粉粒径大于50 μm，钛基体表面起伏和颗粒间隙偏大，容易导致铅层覆盖不平整、局部堆积或界面连续性下降；钛粉粒径小于20 μm，钛粉比表面积增大，粉末易氧化、易团聚，混合和烧结难度提高，难以获得高致密度的复合材料，降低屏蔽性能和使用寿命。钛粉粒径控制在20 μm～50 μm时，钛粉既能够形成支撑骨架和相对稳定的基体支撑面，又能够为金属中间相和铅层提供适当结合基础，使铅层能够在金属中间相作用下平整、均匀地覆盖于钛基体层上，提高复合铅材料的结构稳定性和屏蔽性能。

10、在一种可能的实现方式中，铅相的材料包括铅粉，铅粉的体积平均粒径dv50满足：5 μm～15 μm。

11、在该实施例中，铅粉粒径大于15 μm时，颗粒尺寸偏大，成型和烧结后容易造成铅层局部堆积、厚度不均或界面接触不连续，使射线屏蔽性能出现局部薄弱区；当铅粉粒径小于5 μm，粉末比表面积增大，容易团聚、氧化或在混合过程中发生偏聚，难以形成连续稳定的铅层，降低射线屏蔽效果。铅粉粒径控制在5 μm～15 μm，有利于铅粉在成型和烧结过程中形成较为连续、平整的铅层，并通过金属中间相与钛基体层保持稳定结合，从而提高复合铅材料的射线屏蔽性能和界面稳定性。

12、在一种可能的实现方式中，铅相的材料包括铅粉，铅粉的体积平均粒径dv50满足：6 μm～13 μm。

13、在该实施例中，将铅粉体积平均粒径dv50进一步控制在6 μm～13 μm，可以减少过细铅粉带来的团聚和氧化风险，同时保持铅粉形成连续铅层的能力，提高复合铅材料的界面稳定性。

14、第二方面，提供了一种用于高能射线防护的钛基复合铅材料的制备方法，制备方法包括：

15、称取钛粉和铅粉以及金属材料原料，进行高能球磨处理和超声波分散，得到混合粉末；将混合粉末进行冷等静压成型处理，得到预成型体；将预成型体进行放电等离子烧结，冷却后得到钛基复合铅材料。

16、上述制备方法中，通过高能球磨处理和超声波分散的组合，可以减少铅粉和金属材料原料在混合过程中的团聚，使金属材料原料更容易位于钛粉与铅粉的接触界面，烧结后形成充分的金属中间相过渡连接。通过冷等静压成型处理，可以提高预成型体致密度并减少粉末局部松散区域，降低因预成型体密度不均导致铅层局部堆积、起伏或界面缺陷。通过放电等离子烧结处理，可以在较短保温时间内完成粉末烧结致密化，降低铅层过度流动和界面分离风险，降低因界面分离和铅层覆盖状态破坏导致屏蔽性能下降，从而获得具有较高射线屏蔽效率和良好界面结合稳定性的复合铅材料。

17、在一种可能的实现方式中，高能球磨处理的球料比满足5:1~9:1，转速满足400rpm～800 rpm，球磨时间满足3 h～6 h；和/或，超声波分散的频率满足15 khz～50 khz。

18、上述制备方法中，球料比小于5:1或转速小于400 rpm，磨球对粉末的冲击和剪切作用不足，难以使金属相充分位于钛粉与铅粉的接触界面，烧结后容易出现局部缺少金属中间相或铅层覆盖不均，降低射线屏蔽性能；球料比大于9:1或转速大于800 rpm，粉末易冷焊粘连或引入过多杂质，反而破坏铅层覆盖的平整性和界面稳定性。球磨时间小于3 h，混合不充分，金属相难以位于钛铅界面区域；球磨时间大于6 h，粉末过度细化易氧化和团聚，不利于形成稳定的金属中间相和铅层覆盖结构。通过将球料比、转速和球磨时间限定在上述范围内，配合超声波分散处理，可使各相粉末充分混合，并使金属材料原料有效位于钛粉与铅粉之间，最终在烧结后形成充分的界面过渡连接，保障复合铅材料对高能x射线和γ射线的屏蔽性能。

19、在一种可能的实现方式中，冷等静压成型处理的成型压力满足1000 mpa～3000mpa，保压时间满足15 min～40 min。

20、上述制备方法中，成型压力小于1000 mpa，粉末颗粒之间结合力不足，预成型体致密度偏低，粉末局部松散区域在后续烧结过程中易形成孔隙或裂纹，导致射线屏蔽性能下降；成型压力大于3000 mpa，钛粉颗粒可能发生过度塑性变形，钛基体骨架完整性受损，同时铅粉颗粒可能被过度挤压，形成铅相局部堆积或界面起伏。保压时间小于15 min，压力传递不充分，预成型体内部密度分布不均；保压时间大于40 min，致密度的提升趋于饱和。通过将成型压力和保压时间限定在上述范围内，可获得致密均匀的预成型体从而充分发挥复合铅材料对高能x射线和γ射线的屏蔽性能。

21、在一种可能的实现方式中，放电等离子烧结处理的烧结温度满足950 ℃～1050℃，烧结压力满足60 mpa～200 mpa，保温时间满足5 min～20 min。

22、上述制备方法中，烧结温度、烧结压力和保温时间控制在上述范围内，可以使钛基体形成稳定骨架，并使金属相在钛基体层与铅层之间形成过渡连接区域。当烧结温度小于950 ℃或保温时间小于5 min时，界面连接不足；当烧结温度大于1050 ℃或保温时间大于20 min时，铅层容易发生过度流动、局部堆积或界面失稳。将烧结温度控制在950 ℃～1050℃、烧结压力控制在60 mpa～200 mpa、保温时间控制在5 min～20 min，可以提高材料的致密度、界面结合稳定性和结构稳定性。