一种具有蜂窝限域的辐射屏蔽材料及其制备方法

本发明涉及材料，尤其涉及一种具有蜂窝限域的辐射屏蔽材料及其制备方法。

背景技术：

1、核电站电缆在长期运行过程中需同时承受热、辐照、湿热及机械应力等多重耦合作用，其中辐射老化是导致绝缘材料性能劣化的关键因素之一。现有核电电缆绝缘层多采用交联聚乙烯（xlpe）或低烟无卤聚烯烃材料，通过添加抗氧剂、无机填料或辐射稳定剂来提升其耐辐照性能，但并不具备辐射屏蔽能力。

2、为了提升其辐射屏蔽能力，通常会在材料中引入无机填料或高原子序数元素氧化物（如bi2o3、pbo等）。然而，这类高密度填料在聚合物中普遍存在分散困难的问题，尤其是在加工或长期服役过程中，容易发生团聚和沉降，进而引起局部性能不均、应力集中甚至微裂纹的产生。因此，如何在保证屏蔽性能的同时抑制填料沉降，并兼顾材料的力学稳定性，是当前核电电缆领域亟需解决的问题。

3、鉴于此，提出本发明。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种具有蜂窝限域的辐射屏蔽材料及其制备方法。该材料不再依赖单一材料改性，通过蜂窝结构将材料划分为多个独立单元，并在内部局部引入高密度填充区，从而实现材料稳定性和辐射屏蔽性能的有效提升，并保证了其力学性能。

2、为了达到本发明的目的，采用以下技术方案：

3、本发明提供了一种具有蜂窝限域的辐射屏蔽材料，包括：

4、交联聚乙烯绝缘层；

5、复合于所述交联聚乙烯绝缘层表面的蜂窝限域结构层；

6、所述蜂窝限域结构层由纳米纤维网络构成蜂窝骨架，所述蜂窝骨架的蜂窝单元内填充有高原子序数辐射屏蔽纳米颗粒；

7、所述蜂窝限域结构层还包括封装层，所述封装层覆盖于填充有所述高原子序数辐射屏蔽纳米颗粒的蜂窝骨架表面，形成封闭的蜂窝壳层结构。

8、进一步的，所述纳米纤维网络由与交联聚乙烯相容的聚合物材料构成，具体包括：低密度聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物的混合物。

9、进一步的，所述高原子序数辐射屏蔽纳米颗粒为氧化铋纳米颗粒，所述纳米颗粒的平均粒径为20nm-200nm。

10、进一步的，所述蜂窝限域结构层的厚度为20μm-100μm，所述蜂窝单元的孔径为5μm-50μm。

11、本发明还提供了具有蜂窝限域的辐射屏蔽材料的制备方法，包括如下步骤：

12、s1、制备交联聚乙烯绝缘层；

13、s2、在电缆绝缘层的表面，构建蜂窝骨架层；

14、s3、在所述蜂窝骨架层的蜂窝单元内填充高原子序数辐射屏蔽纳米颗粒；

15、s4、对填充后的蜂窝骨架进行封装处理，形成封闭的蜂窝壳层结构。

16、进一步的，所述s1中，使用挤出法制备绝缘层，挤出温度为160-190℃。

17、进一步的，所述s1具体包括：将聚乙烯熔融，并在铜导体表面均匀挤出；随后在已经包覆导体的聚乙烯表面进行交联。

18、进一步的，所述s2中，使用静电纺丝技术构建蜂窝骨架层，所述静电纺丝技术的条件为：施加电压为20kv，喷射距离15cm，推进速度0.75ml/h，环境相对湿度70%，并且采用具有微孔阵列的图案化收集装置诱导，形成规则的蜂窝单元结构。

19、进一步的，所述s3具体包括：

20、s301、将氧化铋纳米颗粒分散于有机溶剂中，加入分散剂形成悬浮液；

21、s302、将s2得到的产物浸入所述悬浮液中，干燥。

22、进一步的，分散剂为聚乙烯吡咯烷酮（pvp）分散剂。

23、进一步的，所述s4中，封装处理的温度为100℃，压力为3mpa，时间为8min。

24、进一步的，所述蜂窝骨架层的原料为由低密度聚乙烯与乙烯-醋酸乙烯共聚物的混合物，所述低密度聚乙烯与乙烯-醋酸乙烯共聚物的质量比为7:3；

25、所述低密度聚乙烯与乙烯-醋酸乙烯共聚物的混合物在用于制备蜂窝骨架层的纺丝溶液中的总质量分数为8%-15%。

26、进一步的，乙烯与乙烯-醋酸乙烯共聚物均溶解在二甲苯和四氢呋喃的混合溶剂中。

27、进一步的，二甲苯与thf（四氢呋喃）的用量比为7:3，二甲苯的浓度为70%，四氢呋喃的浓度为30%。

28、本发明具有以下技术效果：

29、与现有核电电缆材料相比，本发明的性能提升主要体现在结构与界面协同作用带来的综合效果，而不是依赖单一材料改性，优点体现在以下几方面：

30、1）在填料稳定性方面，通过蜂窝结构将材料划分为多个独立单元，高密度屏蔽颗粒被限制在局部空间内，从而有效避免了传统体系中常见的沉降与分层问题。在此基础上，蜂窝壁表面的纳米界面层进一步增强了颗粒的附着能力，使填料在长期使用过程中仍能保持较稳定的分布状态。

31、2）在辐射屏蔽性能方面，该结构通过在蜂窝单元内部引入局部高密度填充区域，使射线在传播过程中多次进入高衰减区，同时蜂窝结构提供了更多界面，有利于增强散射效应，从而在不显著增加整体密度的情况下提升屏蔽效率。

32、3）在力学性能方面，蜂窝结构能够在受力时通过单元变形分散应力，降低局部应力集中风险，同时多界面结构对裂纹扩展具有一定阻碍作用，因此在提高屏蔽性能的同时，不会明显降低材料的柔韧性和抗开裂能力。

33、4）此外，该结构具有一定的工程可实施性，相关制备工艺均为现有成熟技术，具备实际应用基础。

1.一种具有蜂窝限域的辐射屏蔽材料，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的具有蜂窝限域的辐射屏蔽材料，其特征在于，所述纳米纤维网络由与交联聚乙烯相容的聚合物材料构成，具体包括：低密度聚乙烯和乙烯-醋酸乙烯共聚物的混合物。

3.根据权利要求1所述的具有蜂窝限域的辐射屏蔽材料，其特征在于，所述高原子序数辐射屏蔽纳米颗粒为氧化铋纳米颗粒，所述纳米颗粒的平均粒径为20nm-200nm。

4.根据权利要求1所述的具有蜂窝限域的辐射屏蔽材料，其特征在于，所述蜂窝限域结构层的厚度为20μm-100μm，所述蜂窝单元的孔径为5μm-50μm。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的具有蜂窝限域的辐射屏蔽材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述具有蜂窝限域的辐射屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述s1中，使用挤出法制备绝缘层，将可交联聚乙烯材料挤包覆在导体表面，随后再进行交联处理，挤出温度为160-190℃。

7.根据权利要求5所述具有蜂窝限域的辐射屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述s2中，使用静电纺丝技术构建蜂窝骨架层，所述静电纺丝技术的条件为：施加电压为20kv，喷射距离15cm，推进速度0.75ml/h，环境相对湿度70%，并且采用具有微孔阵列的图案化收集装置诱导，形成规则的蜂窝单元结构。

8.根据权利要求5所述具有蜂窝限域的辐射屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述s3具体包括：

9.根据权利要求5所述具有蜂窝限域的辐射屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述s4中，封装处理的温度为100℃，压力为3mpa，时间为8min。

10.根据权利要求5所述具有蜂窝限域的辐射屏蔽材料的制备方法，其特征在于，所述蜂窝骨架层的原料为由低密度聚乙烯与乙烯-醋酸乙烯共聚物的混合物，所述低密度聚乙烯与乙烯-醋酸乙烯共聚物的质量比为7:3；