研究人员利用光固化技术开发核应用3D打印铀结构

时间：2024-06-24 11:27 来源：南极熊作者：admin 阅读：次

2024年6月23日，来自的研究人员首次成功利用大桶光聚合技术生产出用于核应用的铀基部件。该工艺利用铀酰阳离子作为光催化剂，用于光聚合增材制造。相关研究以题为“First Structured Uranium-BasedMonoliths Produced via Vat Photopolymerization for Nuclear Applications/通过大桶光聚合生产的第一个用于核应用的结构化铀基整体”的论文被发表在《Advanced Functional Materials》期刊上，论文由AliceZanini, Pedro Amador Celdran等人联合撰写。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202406916

图1 铀基复合成分合成方案示意图。1) 硝酸铀酰与柠檬酸的络合。2) 使用铀酰-柠檬酸盐复合物、蔗糖和 PEGDA M n 575 制备可光固化的溶胶-凝胶基配方。3) 通过紫外可见光曝光对铀酰-柠檬酸盐复合物进行光活化并通过 DLP 制造。4) 在空气中在 120°C 下进行聚酯化，以形成共价交联网络，其中 U 离子被捕获。5) 在氩气气氛下在1700°C 下进行碳热还原。

图2 通过 DLP 制造铀基组件。a) 打印组件的CAD 模型和光学图像（打印时和在 1700 °C 下烧结24 小时后）：盘状开尔文单元衍生结构（上）和螺旋结构（下）。红色是由于加入了光吸收剂。b) 烧结组件的 CAD 模型（下）和 SEM 图像（上）之间的比较。在更高的放大倍数下，烧结打印支柱中的像素形状清晰可见。

图3 铀酰介导的 PEGDA M n 575 光裂解可引发光聚合过程。a) 建议的机制：1- 通过配体到金属的电荷转移对铀酰-柠檬酸盐复合物进行光活化。2- 通过铀酰自由基复合物的氢提取形成碳基自由基。3- 光聚合过程。b) 可光固化配方和硝酸铀酰水溶液的紫外可见光谱。

图4 U基印刷组件的结构表征。a) XRD 图案和 b) 氩气中 1700°C 下不同烧结时间的拉曼光谱。

图5 打印部件的化学和形态表征。a) 使用二次电子进行碳热还原后的代表性复杂部件的 SEM 图像。b) 在 1700°C 下烧结 24 小时的碳化铀/碳纳米复合材料的 SEM 和 EDX 映射图像。

铀在核物理和放射性药物学中至关重要，由于其复杂的光化学性质，在传统3D 打印制作方法中面临挑战。然而，这项研究强调了一种新的合成方案，将铀酰阳离子整合到可光固化的溶胶-凝胶配方中。该方法将铀酰离子的光化学反应与大桶光聚合技术相结合，特别是数字光处理(DLP)。然后通过碳热还原将所得的 3D 打印结构转化为二碳化铀 (UC2)/碳纳米复合材料。

这项研究表明，增材制造能够制造复杂、微结构的铀组件，并实现精确的几何控制。这些结构在反应堆组件和核燃料结构中具有潜在应用，可充分利用铀碳化物的高铀密度和热性能。DLP 技术具有高分辨率，能够生产具有复杂细节和功能孔隙度的部件。这种孔隙度可以增强核燃料的热机械性能和气体输送。

这项研究为铀在增材制造中的应用开辟了新途径，增强了核材料的设计和功能。该过程证明了直接对铀基材料进行图案化的可行性，为核应用提供了一种创建高保真复杂结构的方法。

(责任编辑：admin)

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