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第四代先进核能系统具有中子流强高、工作温度高、结构设计复杂等特点，这对屏蔽材料提出了更高的要求。目前商用轻型中子屏蔽材料多为含硼聚乙烯，其服役温度受限、强度不足、中子屏蔽性能较低，难以满足先进核能系统苛刻的服役要求。含钆三官能团环氧树脂(AFG-90H)和含钆聚酰亚胺(PI)具有优良的中子屏蔽性能、热稳定性和机械性能，是先进核能系统的候选屏蔽材料。
然而，含钆填料易生成有害第二相，将会影响材料的热稳定性和机械性能，金属有机骨架材料(MOFs)特有的多孔结构和有机表面可以增强填料与高分子的界面相互作用，提升复合材料热稳定性和机械性能。据此，本文将Gd(1，4-BDC)1.5添加进AFG-90H基体中，将Gd4(1，2,4,5-BTEC)3添加进PI基体中，分别设计并制备了Gd-MOF/AFG-90H和Gd-MOF/PI复合材料，并开展了Gd-MOF含量对材料中子屏蔽性能、热稳定性和机械性能影响机理研究。本文主要研究内容包括以下几个方面:
1)MOFs/高分子界面结构对性能的影响:添加1wt％含量的Zr-MOF至双酚A环氧树脂(EP)中，制备UiO-66/EP和UiO-66(NH2)/EP复合材料。结果显示，相比于EP和UiO-66/EP，UiO-66(NH2)/EP的玻璃化温度分别提升了10.0％和7.6％，室温拉伸强度分别提升了14.8％和0.6％，断裂伸长率分别提升了34.0％和30.7％。这主要是由于UiO-66(NH2)/EP同时存在界面物理穿插和化学键合，增强了UiO-66(NH2)对EP高分子链的束缚、高分子链的“桥梁”连接作用及UiO-66(NH2)/EP的交联密度，从而提升了UiO-66(NH2)/EP的热稳定性和机械性能。MOFs/高分子界面结构对热稳定性、机械性能影响机制的探究为制备Gd-MOF/高分子复合屏蔽材料奠定了理论基础。
2)Gd-MOF/AFG-90H的设计和性能研究:基于先进核能系统乏燃料贮存和运输需求，设计了不同Gd(1，4-BDC)1.5含量的Gd-MOF/AFG-90H复合材料，在保持相同厚度条件下，随着Gd(1，4-BDC)1.5含量从0wt％逐渐增加至30wt％时，复合材料热中子屏蔽性能会不断提升。热重分析结果表明失重50％时，Gd-MOF/AFG-90H热分解温度相比AFG-90H提升了29.4％，主要由于AFG-90H高分子链高温下降解为低聚物，其热运动受到Gd(1,4-BDC)1.5团聚体阻碍。随着Gd(1,4-BDC)1.5含量的逐渐增加，Gd-MOF/AFG-90H复合材料的室温拉伸强度、断裂伸长率先升高后降低，当Gd(1，4-BDC)1.5含量为10wt％时，Gd-MOF/AFG-90H在室温下拥有较高的拉伸强度和断裂伸长率，相比AFG-90H分别提升了73.5％和76.8％，当Gd(1，4-BDC)1.5含量为20wt％时，Gd-MOF/AFG-90H在150℃高温下拥有较高的拉伸强度和断裂伸长率。这主要是由于当填料含量较低时，高分子链的“桥梁”作用和填料对裂纹的“钉扎”作用提升了拉伸性能;而当填料含量较高时，Gd(1，4-BDC)1.5团聚体造成的应力集中降低了拉伸性能。当Gd(1，4-BDC)1.5含量在10～20wt％时，Gd-MOF/AFG-90H中子屏蔽性能、热稳定性和机械性能较高，但其玻璃化温度和高温拉伸性能相比AFG-90H有所降低，有待进一步提升。
3)Gd-MOF/PI的设计和性能研究:基于先进核能系统的堆内屏蔽，设计了不同Gd4(1,2,4，5-BTEC)3含量的Gd-MOF/PI复合材料。在保持相同厚度条件下，随着Gd4(1,2,4，5-BTEC)3含量从0wt％逐渐增加至20wt％时，复合材料热中子屏蔽性能会不断提升。动态热机械分析结果表明其玻璃化温度相比PI提升了7.2％，主要由于Gd4(1，2,4，5-BTEC)3通过界面物理穿插作增强了对PI高分子链的约束效果，阻碍了高分子链的热运动。随着Gd4(1，2,4，5-BTEC)3含量的逐渐增加，Gd-MOF/PI复合材料在室温和400℃高温下的拉伸强度先升高后降低，当Gd4(1，2,4，5-BTEC)3含量为3wt％时，Gd-MOF/PI拥有较高的室温拉伸强度，相比PI提升74.6％，当Gd4(1，2，4，5-BTEC)3含量为1wt％时，Gd-MOF/PI在400℃高温下拥有较高的拉伸强度，相比PI提升了181.3％。这主要是由于当填料含量较低时，Gd4(1，2,4，5-BTEC)3填料与高分子界面的高应力传导效率提升了材料拉伸强度;而当填料含量较高时，团聚体带来的缺陷降低了拉伸强度。室温下两种效应在添加10wt％Gd-MOF时达到平衡，高温下在添加20wt％Gd4(1,2,4,5-BTEC)3时达到平衡。综合上述结果，当Gd4(1，2,4,5-BTEC)3含量在1～3wt％时，Gd-MOF/PI中子屏蔽性能、热稳定性和机械性能较高，但其室温和高温断裂伸长率相比PI有所降低，有待进一步提升。
综上所述，本文设计并制备了新型Gd-MOF/AFG-90H和Gd-MOF/PI中子屏蔽材料，重点开展了Gd-MOF含量对屏蔽材料中子屏蔽性能、热稳定性和机械性能的影响机理研究，据此优化了屏蔽材料的成分配比。相关屏蔽材料可应用于先进核能系统和乏燃料贮存、运输处，并为先进核能系统中子屏蔽材料的发展提供理论依据和借鉴。
然而，含钆填料易生成有害第二相，将会影响材料的热稳定性和机械性能，金属有机骨架材料(MOFs)特有的多孔结构和有机表面可以增强填料与高分子的界面相互作用，提升复合材料热稳定性和机械性能。据此，本文将Gd(1，4-BDC)1.5添加进AFG-90H基体中，将Gd4(1，2,4,5-BTEC)3添加进PI基体中，分别设计并制备了Gd-MOF/AFG-90H和Gd-MOF/PI复合材料，并开展了Gd-MOF含量对材料中子屏蔽性能、热稳定性和机械性能影响机理研究。本文主要研究内容包括以下几个方面:
1)MOFs/高分子界面结构对性能的影响:添加1wt％含量的Zr-MOF至双酚A环氧树脂(EP)中，制备UiO-66/EP和UiO-66(NH2)/EP复合材料。结果显示，相比于EP和UiO-66/EP，UiO-66(NH2)/EP的玻璃化温度分别提升了10.0％和7.6％，室温拉伸强度分别提升了14.8％和0.6％，断裂伸长率分别提升了34.0％和30.7％。这主要是由于UiO-66(NH2)/EP同时存在界面物理穿插和化学键合，增强了UiO-66(NH2)对EP高分子链的束缚、高分子链的“桥梁”连接作用及UiO-66(NH2)/EP的交联密度，从而提升了UiO-66(NH2)/EP的热稳定性和机械性能。MOFs/高分子界面结构对热稳定性、机械性能影响机制的探究为制备Gd-MOF/高分子复合屏蔽材料奠定了理论基础。
2)Gd-MOF/AFG-90H的设计和性能研究:基于先进核能系统乏燃料贮存和运输需求，设计了不同Gd(1，4-BDC)1.5含量的Gd-MOF/AFG-90H复合材料，在保持相同厚度条件下，随着Gd(1，4-BDC)1.5含量从0wt％逐渐增加至30wt％时，复合材料热中子屏蔽性能会不断提升。热重分析结果表明失重50％时，Gd-MOF/AFG-90H热分解温度相比AFG-90H提升了29.4％，主要由于AFG-90H高分子链高温下降解为低聚物，其热运动受到Gd(1,4-BDC)1.5团聚体阻碍。随着Gd(1,4-BDC)1.5含量的逐渐增加，Gd-MOF/AFG-90H复合材料的室温拉伸强度、断裂伸长率先升高后降低，当Gd(1，4-BDC)1.5含量为10wt％时，Gd-MOF/AFG-90H在室温下拥有较高的拉伸强度和断裂伸长率，相比AFG-90H分别提升了73.5％和76.8％，当Gd(1，4-BDC)1.5含量为20wt％时，Gd-MOF/AFG-90H在150℃高温下拥有较高的拉伸强度和断裂伸长率。这主要是由于当填料含量较低时，高分子链的“桥梁”作用和填料对裂纹的“钉扎”作用提升了拉伸性能;而当填料含量较高时，Gd(1，4-BDC)1.5团聚体造成的应力集中降低了拉伸性能。当Gd(1，4-BDC)1.5含量在10～20wt％时，Gd-MOF/AFG-90H中子屏蔽性能、热稳定性和机械性能较高，但其玻璃化温度和高温拉伸性能相比AFG-90H有所降低，有待进一步提升。
3)Gd-MOF/PI的设计和性能研究:基于先进核能系统的堆内屏蔽，设计了不同Gd4(1,2,4，5-BTEC)3含量的Gd-MOF/PI复合材料。在保持相同厚度条件下，随着Gd4(1,2,4，5-BTEC)3含量从0wt％逐渐增加至20wt％时，复合材料热中子屏蔽性能会不断提升。动态热机械分析结果表明其玻璃化温度相比PI提升了7.2％，主要由于Gd4(1，2,4，5-BTEC)3通过界面物理穿插作增强了对PI高分子链的约束效果，阻碍了高分子链的热运动。随着Gd4(1，2,4，5-BTEC)3含量的逐渐增加，Gd-MOF/PI复合材料在室温和400℃高温下的拉伸强度先升高后降低，当Gd4(1，2,4，5-BTEC)3含量为3wt％时，Gd-MOF/PI拥有较高的室温拉伸强度，相比PI提升74.6％，当Gd4(1，2，4，5-BTEC)3含量为1wt％时，Gd-MOF/PI在400℃高温下拥有较高的拉伸强度，相比PI提升了181.3％。这主要是由于当填料含量较低时，Gd4(1，2,4，5-BTEC)3填料与高分子界面的高应力传导效率提升了材料拉伸强度;而当填料含量较高时，团聚体带来的缺陷降低了拉伸强度。室温下两种效应在添加10wt％Gd-MOF时达到平衡，高温下在添加20wt％Gd4(1,2,4,5-BTEC)3时达到平衡。综合上述结果，当Gd4(1，2,4,5-BTEC)3含量在1～3wt％时，Gd-MOF/PI中子屏蔽性能、热稳定性和机械性能较高，但其室温和高温断裂伸长率相比PI有所降低，有待进一步提升。
综上所述，本文设计并制备了新型Gd-MOF/AFG-90H和Gd-MOF/PI中子屏蔽材料，重点开展了Gd-MOF含量对屏蔽材料中子屏蔽性能、热稳定性和机械性能的影响机理研究，据此优化了屏蔽材料的成分配比。相关屏蔽材料可应用于先进核能系统和乏燃料贮存、运输处，并为先进核能系统中子屏蔽材料的发展提供理论依据和借鉴。