《Radiation Physics and Chemistry》：Comparative study of improving the mechanical, structural, and simulated ionized radiation shielding properties of bismuth-reinforced tin-based alloys
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锡-铋合金的制备及其辐射屏蔽性能研究表明，通过熔融铸造法制备了Sn-50Bi和Sn92-x-8Sb-xBi（x=10-40wt%）合金，采用XRD、SEM、显微硬度及拉伸测试分析其微观结构和力学性能，发现铋掺杂细化晶粒并形成新相Bi0.92Sb0.08，显著提升硬度与抗蠕变性能。利用MCNP5和WinXCom模拟评估0.015-15MeV伽马射线屏蔽性能，发现铋含量增加可优化屏蔽效果，Sn-50Bi合金在质子与α粒子屏蔽中表现最佳。
阿卜杜勒阿齐兹·A·阿尔希赫里（Abdulaziz A. Alshihri）| 穆罕默德·萨阿德（Mohamed Saad）| 胡赛因·阿尔莫希（Hussain ALMohiy）| 马德舒什·M·阿尔沙赫拉尼（Madshush M. Alshahrani）| 阿卜杜勒莫奈姆·萨利赫（Abdelmoneim Saleh）| 里兹克·莫斯塔法·沙拉比（Rizk Mostafa Shalaby）
沙特阿拉伯阿巴（Abha）61421，国王哈立德大学（King Khalid University）应用医学科学学院（College of Applied Medical Sciences）放射科学系（Department of Radiological Sciences）
摘要
通过将纯锡（Sn）、铋（Bi）和锑（Sb）在500°C下熔化，然后在30°C下铸造，制备了五种掺杂了锑元素的锡-铋合金，其组成为Sn-50Bi和(92-x)Sn-8Sb-xBi（x=10.0、20.0、30.0和40.0 wt.%）。使用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、维氏硬度测试和拉伸试验技术分别对制备合金的相组成、微观结构、显微硬度和机械性能进行了表征。合金的结构分析显示，主要由四方晶系的β-Sn基体相、菱形晶系的α-Bi相、菱形晶系的Sb相以及新的菱形晶系的Bi0.92Sb0.08金属间化合物（IMCs）组成。结果表明，由于添加了锑，脆性的SbSn相得到了抑制，同时出现了新的Bi0.92Sb0.08 IMC相，并且晶粒尺寸得到了细化。因此，制备合金的蠕变抗力、硬度和机械性能得到了改善。研究发现，添加高达40 wt.%的铋可以显著影响Sn-8Sb合金的性能。此外，使用MCNP5代码和WinXCom软件在0.015至15 MeV的能量范围内对这些合金的伽马射线屏蔽能力进行了研究和评估。为了全面了解所研究合金的辐射和中子屏蔽性能，计算了多个参数。结果表明，提高铋的浓度可以改善辐射屏蔽效果。在所有制备的合金中，Sn-50Bi合金表现出最佳的屏蔽性能，并且与一些常用的屏蔽材料以及文献中报道的近期研究合金相比具有竞争力。基于质量阻止能力和投影范围模拟，Sn-50Bi合金在质子和α粒子屏蔽方面表现出最有利的特点，显示出其在特定工业和核相关应用中的潜在价值。
引言
近年来，电离辐射被广泛应用于放射治疗、医疗治疗以及医疗和工业领域。理解电离辐射与物质的相互作用变得越来越重要。电离射线的穿透程度取决于能量、辐射类型和吸收材料的化学组成。目前，许多研究人员和科学家正在努力提高各种材料的屏蔽性能，这些材料将用于核反应堆、保护装有敏感电子设备的实验室以及保护辐射领域的工作者。[1],[2],[3],[4],[5]。科学家们报道并研究了新型屏蔽材料，如纳米复合材料[6]、金属合金[7],[8],[9]和玻璃材料[10],[11],[12],[13],[14]，认为它们是有效的辐射防护材料。金属合金具有多种优点，包括易于制造、成本低廉、形状/形式灵活、密度高、可通过掺杂进行调整、无毒、环保以及出色的机械性能（如刚性、强度和硬度）。这些特性使它们在辐射屏蔽应用中极具吸引力，当前的研究旨在进一步提高其性能。[15],[16]报道了一些二元和三元合金的伽马射线屏蔽性能。他们使用熔炼淬火技术合成了不同的成分。使用WinXCom软件计算得出的结果与实验测量值非常接近，误差在±4%以内。还有研究报道了硼化处理对Hardox 450钢屏蔽性能的影响[17]，实验结果与使用WinXCom软件得到的理论值一致。[18]对不同能量范围内的Bi-Sn合金的光子能量参数进行了数值研究，发现使用WinXCom软件计算得出的质量衰减系数值与康普顿效应主导的能量范围内的质量能量吸收系数值存在显著差异。El Kateib等人[19]、Singh等人[20]、Han和Demir[21],[22]探索了Pb-Sb、Al-Si、钢、Ti-Ni、Ni-Cr等新型金属合金作为辐射屏蔽材料的潜力。Saleh等人[8],[23]研究了基于二元和三元合金（如Bi-Sn-Zn和Bi-Zn）的各种系统。Sn-Zn-Bi-Pb三元和四元合金受到了广泛关注，具有许多优点，如易于合成、形状简单、接头强度高、微观结构精细、热物理性能优异、密度高、机械性能和屏蔽性能好以及相对低成本、抗蠕变和腐蚀能力强[24],[25]。他们发现，通过掺入某些金属元素可以改善合金的微观结构、机械性能和屏蔽性能。因此，通过调整合金成分，这些合金可以应用于放射治疗和辐射屏蔽等领域。本研究全面探讨了铋对铸造法制备的Sn-Sb合金的微观结构、机械耐久性和屏蔽性能的影响，并使用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、维氏硬度测试和拉伸试验技术分析了其结构和机械特性。此外，还使用MCNP模拟代码和WinXcom软件评估了这些合金对能量在15 KeV到15 MeV范围内的伽马光子的衰减能力。
材料制备与表征
本研究中使用的Sn-50Bi和Sn92-x-8Sb-xBi（x=10.0、20.0、30.0和40.0 wt.%）合金以高纯度锡（99.99%，Prolabo，法国）、锑（99.99%，Sigma-Aldrich，美国）和铋（99.99%，Sigma-Aldrich，美国）为起始材料制备。使用高精度数字天平精确称量每种元素的用量，以匹配目标化学组成（详见表1）。将适量的纯元素放入石墨坩埚中熔化。
结构表征
图4[a-e]展示了Sn-50Bi和Sn92-x-8Sb-xBi（x=10.0、20.0、30.0和40.0 wt.%）合金的X射线衍射图谱。Sn-50Bi合金的衍射图谱显示存在四方晶系的β-Sn（PDF 01-085-5862，空间群I41/amd，a=5.86 ?，c=3.193 ?，c/a=0.5449）和菱形晶系的Bi（PDF 01-085-5857，空间群R-3m，hkl（003）、（101）、（102）和（104），a=4.545 ?，c=11.9 ?，c/a=2.618）。
结论
本研究分析了Sn-50Bi和Sn92-x-8Sb-xBi（x=10–40 wt.%）二元/三元合金作为伽马射线屏蔽材料时的性能，探讨了铋添加对其结构、机械性能和辐射屏蔽性能的影响。XRD结果显示存在四方晶系的β-Sn相和单斜晶系的Bi相，以及形成硬质夹杂物的金属间化合物（IMCs）如SnSb和BiSb。添加铋细化了晶粒尺寸，提高了弹性模量和维氏硬度。随着铋含量的增加...
作者贡献声明
阿卜杜勒阿齐兹·阿尔希赫里（Abdulaziz Alshihri）： 数据整理、概念化。穆罕默德·萨阿德（Mohamed Saad）： 数据整理、概念化。胡赛因·阿尔莫希（Hussain ALMohiy）： 可视化、验证、监督、概念化。马德舒什·阿尔沙赫拉尼（Madshush Alshahrani）： 软件开发、资源管理、数据整理、概念化。里兹克·沙拉比（Rizk Shalaby）： 文章撰写与修订、初稿撰写、验证、监督、数据整理、概念化。阿卜杜勒莫奈姆·萨利赫（Abdelmoneim Saleh）： 文章撰写与修订、初稿撰写
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。
致谢
作者感谢国王哈立德大学科学研究院通过项目编号RGP2/244/46资助了这项工作。
