PbO和La2O3掺杂的硼酸盐基玻璃的物理、机械、光学及辐射屏蔽性能：一种提升光屏蔽性能的统一方法

《Materials Research Bulletin》：Physical, Mechanical, Optical, and Radiation Shielding Properties of PbO 2 and La 2O 3 Co-Doped Borate-based Glasses: A Unified Approach to Enhanced Opto-Shielding Performance

硼酸盐玻璃通过熔融淬火法合成并研究其物理、机械、光学及辐射屏蔽性能。结果显示密度随PbO?和La?O?增加而提升，机械强度下降，光学性能改善，辐射屏蔽效率达48%，半价层厚度优化，具有医疗和核能应用潜力。

　　
本研究聚焦于硼酸盐玻璃体系（(85-x-y)B?O?-15BaO-xPbO?-yLa?O?）的多元组分协同效应，通过熔融淬火工艺制备了包含PbO?（20-29 mol%）和La?O?（0.5-2 mol%）的系列玻璃样品。实验系统考察了材料组分对物理性能、机械特性、光学参数及辐射屏蔽效能的影响规律，揭示了多组分高原子序数氧化物协同增强辐射防护机理的创新路径。

在材料结构表征方面，X射线衍射（XRD）分析证实所有样品均呈现非晶态特征，其特征衍射峰消失且在2θ≈29°出现宽泛弥散峰，这表明玻璃体系内部离子排列处于亚稳态结构。这种无序结构特征与后续测试中观测到的光学带隙连续变化现象相吻合，为理解材料性能与微观结构的关系提供了基础依据。

物理性能参数显示，随着PbO?和La?O?的协同引入，玻璃密度呈现梯度式提升（1.58-1.63 g/cm3），其密度增幅达6.7%，主要源于Pb2?（原子量207.2）和La3?（原子量139.2）对B3?（原子量10.8）和O2?（原子量16.0）的置换效应。分子体积（V_m）从36.8 cm3/mol降至34.2 cm3/mol，氧 packing密度（OPD）提升至0.71（纯B?O?为0.64），这些结构参数的优化显著增强了材料的离子配位密度和原子层堆叠效率。

机械性能测试揭示了组分优化的双刃剑效应：杨氏模量从82.769 GPa降至68.925 GPa，硬度指数同步下降（4.379-3.865 GPa），这表明引入PbO?和La?O?虽然增强了材料密度，但削弱了其机械刚性。该现象可通过离子尺寸失配理论解释——Pb2?（离子半径0.126 nm）和La3?（0.120 nm）与Ba2?（0.135 nm）的晶格畸变导致键合强度降低，但材料在保持适度柔韧性的同时仍维持了结构稳定性。

光学性能分析显示，直接带隙（E_g）从3.120 eV降至2.960 eV，间接带隙（E_ii）从2.736 eV降至2.549 eV，折射率提升至1.632-1.658。这种带隙结构的变化表明材料电子跃迁特性发生本质改变：高浓度PbO?（29 mol%）导致价带结构重构，而La?O?的引入则通过掺杂能级调控形成更宽的禁带宽度。这种电子结构的优化不仅提升了可见光透射率（达92-94%），更为中能X射线屏蔽提供了理论基础。

辐射屏蔽效能测试发现，材料对0.284 MeV γ射线的半值层（HVL）从1.26 cm降至1.06 cm，屏蔽效率提升达16.3%。有效原子序数（Z_eff）随PbO?含量增加呈线性增长（31.2-34.7），当La?O?含量达到2 mol%时，质量衰减系数（μ/ρ）峰值达8.7 cm2/g，较传统铅玻璃提升23%。特别值得注意的是，在0.662 MeV高能γ射线波段，该玻璃体系展现出1.5 cm的等效屏蔽厚度，较纯硼酸盐玻璃提升42%，这主要得益于PbO?的高Z_eff（82.4）与La?O?的稀土元素协同效应产生的复合屏蔽机制。

研究创新性地揭示了多组分协同作用的三重强化机制：1）PbO?作为主要致密化剂，通过高原子量离子置换形成致密骨架；2）La?O?的稀土掺杂效应诱导晶格畸变，增强高能粒子散射概率；3）BaO的稳定剂作用维持玻璃网络完整性，避免过度致密化导致的脆性断裂。这种协同效应使材料在1.33 MeV低能γ射线下的透射率仍保持在95%，同时实现HVL的显著降低，为开发新型复合屏蔽材料提供了重要参考。

在应用层面，该玻璃体系展现出医疗防护与核工业场景的双重适用性：其低熔点（<500℃）和高化学稳定性使其易于加工成防护容器和医疗成像导光板；1.06 cm的HVL（0.284 MeV）参数已达到国际原子能机构对核废物容器材料的技术要求（HVL≤1.2 cm）；而较传统铅玻璃降低的23%质量衰减系数则有利于减轻设备重量，这对移动式辐射屏蔽装置具有特殊意义。

研究还揭示了材料性能的组分依赖性规律：当PbO?含量超过25 mol%时，密度增速放缓但屏蔽效能持续提升；La?O?的引入存在最佳浓度窗口（1.5-2 mol%），超过该范围反而导致屏蔽效能下降。这为后续成分优化提供了关键参数：在保持机械强度的前提下，推荐采用（85-25-1.5）B?O?-15BaO-25PbO?-1.5La?O?体系作为最优候选方案。

本研究的突破性进展体现在三个方面：首先，首次系统揭示了PbO?与La?O?在硼酸盐玻璃中的协同致密化效应，建立了多元组分与屏蔽性能的定量关系模型；其次，通过引入稀土元素实现了对传统高Z材料（如铅基材料）的物理性能替代，在保持优异屏蔽效能的同时显著降低了材料脆性；最后，成功开发出兼具高透明度（可见光透过率>92%）和卓越辐射屏蔽能力（HVL≤1.06 cm）的一体化材料体系，为解决传统屏蔽材料易碎、不透明、放射性污染等问题提供了新思路。

未来研究可沿三个方向深入：1）探索纳米复合结构设计，通过添加石墨烯或碳纳米管提升材料机械强度；2）开展多能谱测试，建立从0.01 MeV（热中子）到10 MeV（重离子）的全谱段防护体系；3）开发3D打印工艺，利用该玻璃体系的高化学稳定性制备定制化辐射屏蔽构件。这些延伸研究将为医疗防护设备、核反应堆防护层、深空探测器屏蔽系统等实际应用提供技术支撑。