【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及辐射屏蔽材料，具体涉及一种蜡支撑辅助3d打印制备悬空结构的硅橡胶辐射屏蔽复合材料的方法。
技术介绍
1、柔性辐射屏蔽(中子、γ射线等屏蔽)材料因具备适形性好、结构紧凑等突出优点，已成为核领域异形构件防护的关键材料。橡胶基复合材料是其中一类具有代表性的柔性辐射屏蔽材料，其典型加工制备过程有两种：(1)针对固体橡胶原料，将固态橡胶生胶与各类功能填料及加工助剂混炼，再模压硫化成型制备出橡胶基复合材料；(2)针对液态橡胶原料，将液态橡胶与各类填料及固化剂混合后，浇铸于特定模具中，经热固化或室温固化过程制备出复合材料。这两种加工成型方式均需依赖模具，而异形构件的形状多样性决定了需要加工不同种类的模具，由此不仅带来制造成本的增加，而且也无法即刻满足辐射屏蔽材料的快速制造需求。
2、3d打印技术具有无模制造、设计自由度高、高效等优势，尤其是直写式(directink writing，diw)3d打印技术还具有对设备要求低、成本低等优点，与传统加工技术形成互补。有研究人员以聚硅氧烷作为柔性基体，以单质铋粉和硼-10粉作为辐射屏蔽功能填料，通过直写式3d打印制备出柔性γ屏蔽和中子屏蔽材料(radiation physics andchemistry,2021,188:109616)，但其仅限于制备平板型等规则形状材料。弧形管道、多直角形等异形构件反而在实际应用中更加广泛，需使用具有悬空结构的辐射屏蔽材料对其进行紧凑化及一体化防护，而由于悬空结构材料打印过程中，聚合物浆料在沉积后不易维持形状，造成结构坍塌，因此现有打印技术
3、在普通材料的3d打印过程中，可以通过增加支撑材料实现制备悬空结构材料，如聚乙烯醇水溶性支撑、蜡支撑等。有研究人员利用多材料喷射3d打印机，以光固化材料作为主体材料，以蜡作为支撑材料，制备了具有悬空结构特征的刚性塑料样件(virtual andphysical prototyping,2017,12(1):95-103.)。但在基于光固化或熔融沉积的3d打印技术中，刚性聚合物材料在喷射或挤出后即同步完成固化成型，因此支撑材料起到短暂性支撑作用，仅需满足可打印性及打印后易去除性即可，对其他性能无要求。而在基于diw的3d打印辐射屏蔽材料技术中，柔性聚合物材料在挤出沉积后无法立即成型，需进一步加热处理使其固化，因此要求支撑材料具备长时间稳定支撑作用，以避免柔性材料在固化前发生结构坍塌，这对支撑材料本身的热学性能、力学性能及其与主体材料的热学/力学性能匹配性要求极高。尤其是在辐射屏蔽材料的3d打印中，为提高材料的辐射屏蔽效果，需向基体材料中加入辐射屏蔽功能填料，这也带来了对主体材料性能的影响，增加了技术实现难度。因此，如何利用3d打印制备悬空结构硅橡胶辐射屏蔽复合材料，仍是本领域目前亟待解决的技术难题。
技术实现思路
1、为克服上述现有技术存在的缺点，本专利技术的目的在于提供一种蜡支撑辅助3d打印制备悬空结构的硅橡胶辐射屏蔽复合材料的方法，通过结构设计和材料制备工艺协调，以蜡块作为支撑，采用直写式打印的3d打印方法，制备出符合实际应用所需的悬空结构柔性辐射屏蔽复合材料。
2、具体而言，上述专利技术目的是通过以下方案实现的：
3、一种蜡支撑辅助3d打印制备悬空结构的硅橡胶辐射屏蔽复合材料的方法，包括以下步骤：
4、1)根据目标防护对象处的中子或γ射线剂量率以及环境辐射剂量率限值，以液体硅橡胶为柔性基体材料，选择作用截面大的中子屏蔽填料或γ射线屏蔽填料，并根据衰减系数计算公式和射线强度衰减计算公式，确定辐射屏蔽填料含量、配比以及辐射屏蔽材料厚度(优选2mm)。
5、2)将硅橡胶辐射屏蔽复合材料的形状设计为与目标防护对象互补的几何形状，材料厚度与步骤1)相同；在硅橡胶辐射屏蔽复合材料的空心结构或悬空结构部分增加蜡支撑，使复合材料在3d打印过程中能够维持稳定几何形状；使用几何建模软件(如solidworks)建立复合材料和蜡支撑的三维几何模型，再将其导入至切片软件(如simplify3d)中离散化，转为3d打印机可识别代码，得到3d打印机可识别的切片文件。
6、本步骤针对目标形状建模转为3d打印机可识别代码的方法为本领域常规技术，如工具书“闫春泽等.3d打印材料丛书--3d打印聚合物材料[m].第1版，北京：化学工业出版社，2020.”所公开。
7、3)使用行星式搅拌脱泡机对材料进行混合：按步骤1)所得参数，首先向液体硅橡胶基胶中加入过筛(110目)处理后的辐射屏蔽填料，搅拌混合均匀，得到混合溶液ⅰ；然后向混合溶液ⅰ中分次加入亲水型气相二氧化硅，搅拌混合均匀，得到混合溶液ⅱ；最后再向混合溶液ⅱ中加入与液体硅橡胶基胶配套的固化剂，搅拌混合均匀，得到混合溶液ⅲ；将混合溶液ⅲ转移至3d打印机的塑料料筒中，置于离心机中离心，除去装料过程中产生的气泡。
8、4)将蜡块装载于金属料筒中，通过电加热装置，由室温匀速加热至100℃，使蜡块完全融化并保持30min；然后匀速降温至40℃并保持，使蜡材料冷凝并沉积在料筒底部。
9、装载于金属料筒中的原始蜡块由许多尺寸不一的蜡块堆积而成，相互之间存在大量间隙，如果在装载后直接对其加热，无法实现连续出丝，从而导致难以连续3d打印。本步骤先加热融化再降温冷凝沉积，可使原来零散堆积的蜡块在金属料筒内形成一个致密整体，以便于后续连续3d打印。蜡材料本身的可打印性与温度的依赖性很大，本申请经过多次实验，最终确定40℃是确保其可3d打印、与浆料适配的最佳温度。
10、5)使用多材料3d打印机启动3d打印过程：空气压缩机载压后与3d打印机连接，将料筒装载在3d打印机上，对3d打印机调平校准；选择步骤2)中的切片文件，同时打印硅橡胶辐射屏蔽复合材料和蜡支撑材料；打印完成后置于烘箱中加热固化并去除蜡支撑。
11、所述步骤1)中的中子屏蔽填料为碳化硼，γ辐射屏蔽填料为氧化铋，中子屏蔽填料和γ辐射屏蔽填料的粒径范围为1～3μm
12、所述步骤3)中过筛处理是指使用不低于110目的筛网过筛。
13、所述步骤3)中亲水型气相二氧化硅比表面积为150m2/g。
14、所述步骤3)中屏蔽填料的用量为20～100phr(按质量份数计，以液体硅橡胶基胶的质量份数100phr为计量基准)，亲水型气相二氧化硅的用量为18～20phr(该使用量确保混合溶液ⅲ的流变性能满足直写式3d打印要求，即混合溶液ⅲ的“储存模量-剪切应力”和“损耗模量-剪切应力”曲线存在交点)，固化剂用量为10phr。
15、所述步骤3)中离心是指以4000～5000rpm的转速离心5min以上。
16、所述步骤5)中加热固化并去除蜡支撑的温度为80℃，时间为1h。本申请中，所使用的蜡块为80#微晶蜡，其基于本申请温度处理后，流变性能满足直写式3d打印的要求，且压缩强度高于本申请复合材料的自重，融化温度不高于复合材本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种蜡支撑辅助3D打印制备悬空结构的硅橡胶辐射屏蔽复合材料的方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述蜡支撑辅助3D打印制备悬空结构的硅橡胶辐射屏蔽复合材料的方法，其特征在于，步骤2）中所述中子屏蔽填料为碳化硼，γ辐射屏蔽填料为氧化铋；所述屏蔽填料的粒径范围为1~3 μm。
3.根据权利要求1所述蜡支撑辅助3D打印制备悬空结构的硅橡胶辐射屏蔽复合材料的方法，其特征在于，步骤2）中所述液体硅橡胶为聚二甲基硅氧烷。
4.根据权利要求1所述蜡支撑辅助3D打印制备悬空结构的硅橡胶辐射屏蔽复合材料的方法，其特征在于，所述搅拌是指转速为4000~5000rpm。
5.根据权利要求1所述蜡支撑辅助3D打印制备悬空结构的硅橡胶辐射屏蔽复合材料的方法，其特征在于，步骤2）所述辐射屏蔽材料使用不低于110目的筛网过筛。
6.根据根据权利要求1所述蜡支撑辅助3D打印制备悬空结构的硅橡胶辐射屏蔽复合材料的方法，其特征在于，步骤2）以质量份计，液体硅橡胶基胶为100 phr，屏蔽填料的用量为20~100 phr，亲水型气相二氧化
7.根据根据权利要求1所述蜡支撑辅助3D打印制备悬空结构的硅橡胶辐射屏蔽复合材料的方法，其特征在于，步骤2）所述离心是指以4000~5000 rpm的转速离心5 min以上。
8.根据根据权利要求1所述蜡支撑辅助3D打印制备悬空结构的硅橡胶辐射屏蔽复合材料的方法，其特征在于，步骤4）所述加热是指80℃加热1 h。
...【技术特征摘要】
1.一种蜡支撑辅助3d打印制备悬空结构的硅橡胶辐射屏蔽复合材料的方法，其特征在于，具体步骤如下：
2.根据权利要求1所述蜡支撑辅助3d打印制备悬空结构的硅橡胶辐射屏蔽复合材料的方法，其特征在于，步骤2）中所述中子屏蔽填料为碳化硼，γ辐射屏蔽填料为氧化铋；所述屏蔽填料的粒径范围为1~3 μm。
3.根据权利要求1所述蜡支撑辅助3d打印制备悬空结构的硅橡胶辐射屏蔽复合材料的方法，其特征在于，步骤2）中所述液体硅橡胶为聚二甲基硅氧烷。
4.根据权利要求1所述蜡支撑辅助3d打印制备悬空结构的硅橡胶辐射屏蔽复合材料的方法，其特征在于，所述搅拌是指转速为4000~5000rpm。
5.根据权利要求1所述蜡支撑辅助3d打印制备悬空结构的硅橡胶辐射屏蔽复合...
【专利技术属性】
技术研发人员：王凯凯，常树全，阮航，张海黔，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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