基于PbO2的多功能硼酸盐玻璃：通过成分控制调节其机械性能、光学特性及辐射屏蔽能力

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：Multifunctional PbO 2-Based Borate Glasses: Tailoring Mechanical, Optical, and Radiation Shielding Capabilities Through Composition Control

辐射屏蔽与光学性能研究：PbO?掺杂玻璃的物理、机械及辐射特性分析

　　在当今科技快速发展的背景下，玻璃材料因其独特的物理、机械和光学特性，在众多领域中发挥着重要作用。从通信技术到核能安全，玻璃不仅在光学传输中表现出色，还能在辐射防护中提供有效的解决方案。近年来，研究者们通过引入重金属氧化物（HMOs）如Bi?O?和PbO，成功提升了玻璃的辐射屏蔽能力，同时保持了其透明性和结构强度。本研究旨在探索一种新型的多组分玻璃体系——PbO?-B?O?-BaO-CaO-Y?O?，以评估其在光学传输和辐射屏蔽方面的综合性能。通过精确的成分调控，这种玻璃体系在密度、光学透明度和伽马射线衰减之间取得了独特的平衡，为未来的多功能玻璃材料提供了新的研究方向。

研究采用熔融淬火法合成四种玻璃，其组成分别为xPbO?-(66-x)B?O?-22BaO-9CaO-3Y?O?（x = 11, 14, 17 和 20 mol%）。该方法确保了玻璃结构的均匀性和稳定性，为后续性能分析提供了良好的基础。通过实验和理论模型相结合的方式，研究者们对这些玻璃的物理、机械、光学和辐射屏蔽性能进行了系统评估。密度和分子量随着PbO?含量的增加而上升，这与PbO?的高原子质量和密度密切相关。然而，机械性能如杨氏模量和微硬度则随着PbO?的增加而下降，这可能是由于PbO?的加入降低了玻璃结构的紧密性和键合强度。光学带隙（直接带隙和间接带隙）在PbO?含量达到17 mol%时达到最低点，而 Urbach 能量则随着PbO?含量的增加而升高，表明玻璃结构中非桥氧（NBOs）的生成增加了无序度。折射率的上升表明玻璃的极化能力增强，而金属化值的下降则说明其绝缘性能减弱。

为了评估这些玻璃的辐射屏蔽能力，研究者们利用Phy-X软件对0.015至15 MeV的能量范围进行了理论分析。该软件能够计算多种辐射屏蔽参数，如线性衰减系数（LAC）、半值层（HVL）、有效原子数（Zeff）和十值层（TVL）。结果显示，Pb20Y3玻璃在辐射屏蔽方面表现出色，尤其是在低能量区域，其Zeff值达到63.28，表明其对辐射的吸收和散射能力最强。LAC在0.015 MeV时达到最高值，表明该玻璃在低能段对辐射的衰减能力最强。HVL和TVL在不同能量段表现出不同的趋势，其中HVL在0.5至1 MeV范围内随着能量的增加而逐渐上升，而TVL则在0.4 MeV时达到最低值，进一步证明了Pb20Y3在高能段的屏蔽性能。此外，与已有的其他玻璃体系（如PbO-ZnO-MgO-B?O?和PbO-Na?O-B?O?-BaO）相比，Pb20Y3在0.4 MeV时的TVL值显著低于这些体系，显示出更强的辐射衰减能力。

这些玻璃的综合性能使其在多个领域具有广阔的应用前景。例如，在医疗成像领域，PbO?的高密度和强光子相互作用能力使其成为X射线和伽马射线屏蔽的理想材料。在核能行业，这些玻璃可以用于保护工作人员免受辐射伤害，同时保持光学透明度，以便于设备的设计和使用。在航空航天领域，这种材料可以用于制造防护层，以抵御宇宙射线和高能粒子的威胁。然而，尽管这些玻璃在理论模型中表现出优异的性能，但目前的研究仍依赖于Phy-X软件的模拟结果，缺乏实验验证。因此，未来的实验研究将有助于进一步确认这些玻璃的实际应用潜力。

在光学特性方面，研究者们利用UV-Vis吸收光谱和Tauc方程对这些玻璃的带隙能量进行了分析。结果表明，随着PbO?含量的增加，带隙能量逐渐减小，特别是在17 mol%时达到最低点。这种趋势可能与非桥氧的形成有关，因为非桥氧能够增强电子的激发能力，从而降低带隙能量。此外，折射率的增加也与非桥氧的极化能力增强相关，这表明这些玻璃在光学应用中具有更高的潜力。然而，当PbO?含量达到20 mol%时，折射率略有下降，这可能是因为结构的重新排列和非桥氧的减少。

在机械性能方面，研究者们通过Makishima-Mackenzie模型对玻璃的弹性模量和硬度进行了估算。随着PbO?含量的增加，弹性模量和硬度逐渐降低，这可能与玻璃结构的松散和键合强度的下降有关。尽管如此，这些玻璃在物理性能方面表现出显著的提升，如密度和分子量的增加，这为它们在结构稳定性和密度方面的应用提供了理论支持。然而，由于机械性能的下降，这些玻璃可能在某些高应力环境中存在局限性。

在实验方法上，研究者们采用了熔融淬火法，确保了玻璃的均匀性和结构稳定性。这种方法通常用于制备高性能玻璃材料，因为它能够在高温下实现均匀的成分分布，避免了结晶结构的形成。此外，研究还使用了X射线衍射（XRD）分析，确认了玻璃的非晶态结构。XRD图谱中没有出现尖锐的衍射峰，表明这些玻璃是完全非晶态的，具有良好的光学和辐射性能。

综上所述，本研究展示了一种新型的PbO?-B?O?-BaO-CaO-Y?O?玻璃体系的潜力。这种玻璃在高密度和高辐射屏蔽性能方面表现出色，同时在光学性能上也具有良好的表现。尽管其机械性能有所下降，但其在物理特性和辐射屏蔽方面的能力使其成为多功能材料的有力候选者。未来的研究可以进一步探索这些玻璃的实际应用，并通过实验验证其理论性能。随着对新型材料的持续研究，PbO?在玻璃材料中的应用前景将更加广阔，为未来的光学和辐射防护技术提供重要的材料基础。