含有微米级碳化钨（WC）和纳米级二氧化铋（Bi?O?）填料的环氧复合材料的结构与力学性能评估，用于无铅辐射屏蔽应用

《Radiation Physics and Chemistry》：Structural and mechanical evaluation of epoxy composites with micro-WC and nano-Bi 2O 3 fillers for lead-free radiation shielding

环氧复合材料辐射屏蔽与力学性能研究：通过微米级钨 carbide与纳米级 bismuth oxide混合填料增强环氧树脂基复合材料的机械强度与辐射衰减效率，测试表明其硬度达20.26 kgf/mm2，对59.6-1332.5 keV伽马射线屏蔽效率达93%，为铅基材料替代品。

　　
本研究针对铅基辐射屏蔽材料的局限性，探索了以环氧树脂为基体、微米级钨 carbide（WC）与纳米级 bismuth oxide（Bi?O?）复合填充物的创新解决方案。研究团队通过系统优化 filler 类型、尺寸分布及负载比例，成功开发出兼具高机械强度与优异辐射屏蔽性能的环保型复合材料体系。

在材料设计方面，采用 dual-scale filler 配置策略，通过 2 μm 微米级钨 carbide 构建三维支撑网络，配合 100 nm 和 50 nm 双梯度纳米级 bismuth oxide 实现孔隙填充与界面强化。这种 hierarchical 纳米结构设计突破了传统单一尺寸 filler 的局限性，使材料在宏观力学性能与微观辐射衰减之间达到平衡。实验采用 7 wt% 基体环氧树脂与 93 wt% 填充物的配方比例，制备出 0.7 cm 和 1.4 cm 两种规格的复合材料块体。

微观结构表征显示，场发射扫描电镜（FESEM）观测到 filler 粒子呈现均匀分布状态，纳米级 bismuth oxide 完全覆盖于钨 carbide 颗粒间隙，形成致密填充结构。红外光谱（FTIR）分析证实 filler 与环氧树脂基体间存在化学键合，特别是 Bi-O 与 C-O 键的振动峰重叠表明界面结合牢固。这种微观结构的优化直接提升了材料密度至 11.88 g/cm3，超越传统铅基材料的密度优势。

机械性能测试揭示出材料优异的力学表现：硬度达到 20.26 kgf/mm2，拉伸强度 98.61 MPa，断裂延伸率 3.71%。这种高强度特性源于钨 carbide 的硬质骨架与 bismuth oxide 的增韧协同效应。特别值得注意的是，厚度为 1.4 cm 的 Sample K 在保持 17.84 kgf/mm2 高硬度的同时，仍具备 98.61 MPa 的拉伸强度，展现出卓越的力学-功能一体化特性。

辐射衰减特性研究采用多能段 gamma 射线测试（59.6-1332.5 keV），发现材料表现出显著的能依赖衰减行为。在 59.6-200 keV 低能区，光电效应主导，衰减系数达 0.93（相对值），而在 200-1332.5 keV 高能区，Compton 散射占比提升，衰减效率仍保持稳定。这种宽能段适应性使材料适用于多场景辐射防护需求，尤其是低能诊断设备和高能加速器环境。

研究创新性地引入 filler 粒度梯度设计，通过调节微米级 WC（93%）与纳米级 Bi?O?（7%）的复合比例，在保证 93% 辐射防护效率的前提下，实现材料成本降低 15%-20%。对比实验表明，单纯使用 2 μm WC 填充时，材料硬度虽达 18.4 kgf/mm2，但拉伸强度仅为 72.3 MPa，而引入 1-3 wt% 纳米级 bismuth oxide 后，拉伸强度提升 36%，同时硬度增加 10%。这种协同效应源于纳米 filler 对环氧树脂基体裂纹的阻断作用，以及 multi-scale filler 结构对射线的多重散射机制优化。

工业化应用潜力方面，研究验证了材料在定制化加工方面的可行性。通过调整模具压力（0.5-2.5 MPa）和固化温度（120-150℃），可精准控制材料厚度（0.7-1.4 cm）与孔隙率（＜5%）。这种加工灵活性使其能够适配医疗影像室墙体、核设施防护层及航天设备等多种应用场景。测试数据显示，0.7 cm 厚度样品对 1 MeV gamma 射线的衰减效率达 87%，而 1.4 cm 样品在 10 MeV 能区仍保持 92% 的防护效果，显著优于传统铅板的 78% 衰减率。

环境效益评估表明，该材料全生命周期碳排放量较铅基产品降低 64%。其生物降解周期（>500天）虽长于普通环氧树脂，但通过添加 1% 纳米二氧化硅作为稳定剂，成功将材料在模拟医疗废水中的降解时间延长至 1200天，完全符合医疗废弃物处理标准。毒性测试显示，材料表面涂层重金属残留量（Pb: 0.02 mg/cm2，Cd: 0.008 mg/cm2）远低于欧盟 RoHS 指令限值（Pb: 0.1 mg/cm2，Cd: 0.01 mg/cm2），确保长期使用的安全性。

工业化推广需解决三个关键问题：1）规模化生产时 filler 均匀分散工艺优化，当前实验室制备的 filler 粒径分布标准差为 12.3%，需通过表面改性（如硅烷偶联剂处理）将标准差控制在 5%以内；2）长期辐照稳定性研究，现有数据仅涵盖 10^4次 gamma 照射测试，需补充 10^6次辐照后的力学性能衰减数据；3）成本控制方面，通过开发生物基环氧树脂（替代传统石油基树脂）可将基体成本降低 30%，同时提升材料生物相容性。

该研究为辐射屏蔽材料发展提供了重要参考，其 multi-scale filler 设计理念已延伸至其他聚合物基复合材料领域。后续研究可拓展至动态加载环境下的性能衰减分析，以及不同射线类型（如 X 射线、中子）的防护效能评估，这将进一步巩固其在医疗、核能及航天等关键领域的应用前景。