煅烧粘土与再生金属废弃物增强环氧树脂复合材料的可持续辐射防护性能：结构、热性能及γ射线屏蔽分析

《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》：Sustainable radiation protection epoxy with calcined clay and recycled metallic waste additives: Analysis of structural, thermal, and gamma-ray shielding

本研究针对传统辐射防护材料毒性高、成本高等问题，开发了以环氧树脂为基体、煅烧粘土(CC)和再生金属废弃物(MW)为功能填料的低成本无铅复合材料。通过系统研究(100-x-y)环氧+x CC+y MW配方体系（x=0-50 wt%，y=0-40 wt%）的结构特性、热性能及γ射线屏蔽效能，发现E50C50样品在0.0595 MeV和0.662 MeV能量下的线性衰减系数(LAC)分别达到0.338 cm-1和0.108 cm-1，展现出优异的辐射防护性能。该研究为开发可持续、高性能的辐射防护材料提供了新思路。

　　

在核能发电、医疗诊断治疗和工业应用等领域，辐射防护是不可或缺的安全保障。传统防护材料如铅和混凝土虽然防护效果显著，但存在毒性大、脆性高、处理困难以及环境负担重等局限性。随着可持续发展理念的深入，开发兼具高效防护性能、环境友好性和良好机械特性的新型屏蔽材料成为研究热点。聚合物基复合材料因其优异的机械强度、化学稳定性、易加工成型等优点，展现出巨大的应用潜力。然而，纯环氧树脂密度低，缺乏高原子序数元素，其辐射衰减能力较差，需要通过添加功能性填料来提升其防护性能。

在此背景下，来自埃及核材料管理局的A.M. Abu El-Soad、Mohammad W. Marashdeh和K.A. Mahmoud在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》上发表研究，致力于开发一种低成本、无铅、可持续的环氧树脂基复合材料，用于γ射线辐射防护。研究聚焦于利用煅烧粘土(CC)和再生金属废弃物(MW)作为填料，系统评估了它们对复合材料结构、热性能以及辐射屏蔽效能的影响。

研究人员采用了几项关键技术方法开展研究。他们通过精确称量并按配方(100-x-y)环氧+x CC+y MW（其中x取0、50、40、30、10 wt%，y对应取0、0、10、20、40 wt%）制备了系列复合材料。利用X射线衍射(XRD)分析了材料的晶体结构，傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征了化学键和分子间相互作用，差示扫描量热法(DSC)评估了材料的热行为。采用阿基米德法测量了密度、孔隙率和吸水率等结构参数。最关键的是，通过窄束透射法，使用NaI(Tl)闪烁探测器和²⁴¹Am、¹³⁷Cs放射源实验测量了材料的线性衰减系数(LAC)，并利用蒙特卡罗模拟(MCNP-5)和XCOM理论计算对实验结果进行了验证和补充分析。

3. 结果与讨论

结构表征分析

XRD分析表明，纯环氧树脂(E100)呈现非晶态结构，而添加CC和MW的复合材料中出现了石英(SiO₂)、赤铁矿(Fe₂O₃)、方解石(CaCO₃)、石盐(NaCl)、刚玉(Al₂O₃)和铬绿(Cr₂O₃)等晶相，证实填料成功引入。FTIR光谱显示，随着填料含量的增加，环氧树脂特征峰强度减弱，而硅酸盐（1000-1100 cm^-1）和金属氧化物（400-800 cm^-1）的振动峰增强，表明填料与环氧基体之间存在物理相互作用和氢键。DSC热分析揭示，CC的加入提高了复合材料的热稳定性，而MW在高温下表现出氧化和烧结行为，E50C10M40样品（MW含量最高）在高温区显示出最强的热反应活性。

结构参数与物理性能

密度测量显示，纯环氧树脂(E100)密度最低（1.137 g/cm³）。添加50 wt% CC的E50C50样品密度最高（1.366 g/cm³），这归因于其最低的孔隙率（0.160%）、孔体积（0.020 cm³）和吸水率（0.144%）。随着MW替代CC比例的增加（从E50C50到E50C10M40），复合材料的密度下降至1.195 g/cm³，而孔隙率、孔体积和吸水率均相应增加，表明MW的引入增加了材料的孔隙结构。

辐射屏蔽性能

γ射线能量(E_γ)对线性衰减系数(LAC)有显著影响。在光电效应(PE)主导的低能区（如0.015 MeV），所有样品均表现出最高的LAC值。E50C10M40样品的LAC高达10.363 cm^-1，而E100样品为3.601 cm^-1。随着能量升高至康普顿散射(CS)主导的区域（如0.662 MeV），LAC值显著下降。在0.662 MeV时，E50C50和E50C40M10样品的LAC最高（0.108 cm^-1），而E50C10M40样品降至0.094 cm^-1。实验测量的LAC与蒙特卡罗模拟和XCOM理论计算的结果高度吻合，误差在±3%以内，验证了结果的可靠性。

与同类材料的性能对比

在0.662 MeV能量下，E50C50和E50C40M10样品的LAC（约0.108 cm^-1）与文献中报道的含20-40 wt%粘土或5-10 wt% Bi₂O₃的环氧复合材料相当，但低于那些含有更高比例重填料（如60 wt% SnO或80 wt% WC+重氮化硼）的复合材料。这表明本研究开发的材料在保持相对较低填料负载的同时，实现了良好的屏蔽效率。

屏蔽参数分析

半值层(HVL)和铅当量厚度(TEL)是评估屏蔽材料性能的重要参数。在低能区（0.0595 MeV），由于光电效应强烈依赖于有效原子序数(Z_eff)，Z_eff较高的E50C10M40样品具有最小的HVL（1.852 cm）。而在中高能区（如0.511 MeV和1.022 MeV），材料的密度成为影响屏蔽性能的主导因素，因此密度最高的E50C50样品表现出最小的HVL。TEL分析也观察到类似的趋势，并在铅的L1和K吸收边（0.033 MeV和0.122 MeV）处出现峰值。辐射防护效率(RPE)分析表明，对于10 cm厚的样品，E50C50和E50C40M10在0.122 MeV时的RPE分别达到79.38%和79.20%，在0.662 MeV时仍保持在65%左右，显示出在实际应用中的潜力。

影响因素机理探讨

研究进一步分析了Z_eff、密度和孔隙率对屏蔽性能的影响机制。在低能区，LAC主要受Z_eff控制，与Z_eff^4.6成正比，因此Z_eff高的样品屏蔽性能好。在中高能区，LAC与密度密切相关，密度的增加直接提升了屏蔽效能。孔隙率的增加会降低密度，从而对中高能区的屏蔽性能产生负面影响。

研究结论与意义

本研究成功开发了一系列以煅烧粘土和再生金属废弃物为填料的环氧树脂基复合材料，并系统评价了其用于γ射线辐射防护的可行性。研究结果表明，填料类型和含量对复合材料的结构、热性能和辐射屏蔽效能具有决定性影响。其中，高含量煅烧粘土的E50C50样品表现出最优的综合性能，包括较高的密度、较低孔隙率和良好的辐射衰减能力，特别是在中能γ射线区域。含有适量金属废弃物的E50C40M10样品也表现出可与E50C50媲美的屏蔽性能。

该研究的重要意义在于：首先，它证实了利用工业废弃物（金属废料）和天然矿物（煅烧粘土）作为功能性填料制备高性能辐射防护材料的可行性，符合循环经济和可持续发展的要求。其次，研究通过实验测量结合蒙特卡罗模拟的多方法验证，为材料屏蔽性能的准确评估提供了可靠方案。最后，所开发的复合材料具有成本低、无铅、易于加工等优点，特别适合用于核医学诊断（如防护服、屏蔽板材）等对材料重量和毒性有严格要求的场合，为传统重金属防护材料的替代提供了新的选择。然而，研究也指出，这些复合材料在更高能量γ射线（>0.662 MeV）下的屏蔽效能提升有限，表明其应用范围可能主要集中于中低能γ射线防护领域。未来研究可进一步优化填料配方、改善填料与基体的界面相容性，以期在更宽能量范围内获得更优的屏蔽性能。