B2O3-PbO2-BaO-CaO-Sm2O3玻璃系统的结构与功能调控及其在辐射屏蔽中的应用研究

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：Tailoring the structural and functional properties of B 2O 3-PbO 2-BaO-CaO-Sm 2O 3 glass system for potential radiation shielding applications

本研究针对传统辐射防护材料（如铅、混凝土）存在的毒性、不透明及机械性能不足等问题，开展了B2O3-PbO2-BaO-CaO-Sm2O3玻璃系统的设计研究。通过调控Sm2O3含量（1-4 mol%），发现玻璃密度提升至4.388 g/cm3，质量衰减系数（MAC）在0.122 MeV达1.264 cm2/g，半值层（HVL）低至0.125 cm。结果表明，该玻璃系统具有优异的辐射屏蔽性能，为新型防护材料开发提供新策略。

　　

在医疗诊断、核能利用和工业检测等领域，电离辐射如同一把双刃剑，既带来了疾病治疗、作物改良等巨大益处，也伴随着致癌、遗传突变等潜在风险。传统的辐射防护材料，如铅板，虽然密度高、屏蔽效果好，但其毒性强、不透光、柔韧性差的缺点限制了其应用场景；而混凝土等材料又存在密度有限、缺乏光学透明性的问题。因此，开发一种兼具高效屏蔽能力、良好机械性能、可设计性强且环境友好的新型防护材料，成为辐射防护领域亟待突破的难题。

在这一背景下，玻璃材料，特别是重金属氧化物玻璃，展现出独特的优势。它们能够像“鸡尾酒”一样，将多种具有不同特性的化学成分（如网络形成体、网络修饰体、高原子序数元素）融合在一起，从而实现对物理、化学、光学和屏蔽性能的“按需定制”。其中，含铅、钡等重金属的硼酸盐玻璃体系因其潜在的优异屏蔽性能而备受关注。此外，稀土氧化物（如氧化钐，Sm₂O₃）的引入，被认为可以进一步提升玻璃的密度和有效原子序数（Z_eff），从而增强其对光子的阻挡能力。特别是针对像铕-152（Eu-152）这类发射低能γ射线（如0.122 MeV）且半衰期较短的放射源，开发有效的屏蔽材料尤为重要。

为了探索高性能辐射屏蔽玻璃的可行性，M.I. Sayyed、Mohammad W. Marashdeh、Ashok Kumar和Sabina Yasmin等研究人员在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》上发表论文，系统研究了一种新型B₂O₃-PbO₂-BaO-CaO-Sm₂O₃玻璃系统的物理、结构、力学及辐射屏蔽性能。本研究旨在通过成分调控，特别是改变Sm₂O₃的含量，来优化玻璃的综合性能，以满足实际应用中对高效、安全辐射屏蔽材料的需求。

研究人员为开展此项研究，主要运用了几项关键技术方法。首先，他们采用高温熔融-淬冷技术制备了四种不同Sm₂O₃掺杂浓度（1-4 mol%）的玻璃样品（分别标记为1Sm, 2Sm, 3Sm, 4Sm）。其次，利用阿基米德原理测量了玻璃的密度，并计算了摩尔体积等一系列物理参数。第三，通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了玻璃的网络结构变化，特别是非桥氧（NBO）的形成情况。第四，基于Makishima-Mackenzie模型理论计算了玻璃的弹性模量（包括杨氏模量、体积模量、剪切模量和纵向模量）。最后，也是本研究的关键，是借助Phy-X/PSD在线软件，理论计算了玻璃在Eu-152源特征能量下的辐射屏蔽参数，如质量衰减系数（MAC）、线性衰减系数（LAC）、半值层（HVL）、十分之一值层（TVL）、平均自由程（MFP）和有效原子序数（Z_eff）等。

3.1. 物理性能和力学性能

研究人员详细表征了玻璃的物理和力学性能。结果明确显示，随着玻璃中BaO和Sm₂O₃含量的增加（同时B₂O₃含量减少），玻璃的密度从3.953 g/cm³（1Sm）单调增加至4.388 g/cm³（4Sm）。这归因于钡（Ba）和钐（Sm）元素较高的原子量。摩尔体积（V_m）的变化则呈现非线性趋势：从1Sm到2Sm，V_m略有下降，表明Sm³⁺离子可能填充了玻璃网络间隙，使结构更致密；但从3Sm到4Sm，V_m反而上升，这表明较高含量的Sm₂O₃开始破坏网络结构，导致网络扩张。与结构变化相关，所有计算的弹性模量（杨氏模量E、体积模量B、剪切模量G、纵向模量L）均随着Sm₂O₃含量的增加而下降。这表明Sm³⁺离子作为网络修饰体，打断了原有的B–O–B键，增加了非桥氧的数量，降低了玻璃网络的刚性，从而削弱了其机械强度。

3.2. 结构性能

FTIR光谱分析为理解玻璃结构变化提供了直接证据。光谱中在400–550 cm^-1、640–810 cm^-1、810–1050 cm^-1和1050–1500 cm^-1范围内观察到多个吸收带。随着Sm₂O₃含量的增加，位于1050–1500 cm^-1的谱带（主要归属于三角BO₃单元的非对称伸缩振动和非桥氧振动）向低波数方向移动且强度增加。同时，代表B–O–B键对称伸缩振动（~715 cm^-1）和四面体BO₄单元振动（810–1050 cm^-1）的谱带也发生明显变化。这些变化共同证实了Sm₂O₃的加入确实破坏了硼酸盐网络，促进了非桥氧的形成，导致BO₄单元向BO₃单元转化，这与物理、力学性能的测试结果相互印证。

3.3. 使用Eu-152源的辐射屏蔽性能

辐射屏蔽性能是本研究的核心。理论计算结果表明，在所有研究的Eu-152特征能量下，玻璃的屏蔽效能均随着Sm₂O₃和BaO含量的增加而增强。在光电效应占主导的低能区（如0.122 MeV），4Sm玻璃的质量衰减系数（MAC）最高，达到1.264 cm²/g，而1Sm玻璃为1.179 cm²/g。线性衰减系数（LAC）也呈现相同趋势。更重要的是，衡量材料屏蔽效率的关键参数——半值层（HVL，即使辐射强度衰减一半所需的材料厚度）和十分之一值层（TVL，衰减至十分之一所需的厚度）均随着Sm₂O₃含量的增加而减小。例如，在0.122 MeV时，4Sm玻璃的HVL为0.125 cm，显著低于1Sm玻璃的0.149 cm。同样，平均自由程（MFP，光子与材料发生两次相互作用之间的平均距离）也随着屏蔽效能的提升而缩短。有效原子序数（Z_eff）在低能区很高（1Sm玻璃在0.122 MeV时Z_eff为46.33），并随着能量升高而降低，这反映了与光子相互作用的机制从光电效应向康普顿散射的转变。与文献中报道的其他玻璃体系（如B₂O₃-BaO-TiO₂-ZnO-PbO玻璃和TiO₂-CeO₂-PbO-B₂O₃玻璃）相比，本研究中的4Sm玻璃在0.444 MeV能量下展现出具有竞争力的线性衰减系数，表明其良好的屏蔽潜力。

综上所述，本研究成功设计并评估了一系列B₂O₃-PbO₂-BaO-CaO-Sm₂O₃玻璃。研究得出结论：Sm₂O₃和BaO的加入能有效提升玻璃的密度和辐射屏蔽性能，其中成分为11PbO₂-25BaO-10CaO-50B₂O₃-4Sm₂O₃的4Sm玻璃综合性能最佳。然而，研究也指出，Sm₂O₃在增强屏蔽性能的同时，会作为网络修饰体增加非桥氧比例，导致玻璃网络结构扩张和弹性模量下降，即在一定程度上牺牲了机械强度。这意味着在实际应用中，需要在“屏蔽效能”和“机械强度”之间寻求平衡。这项工作不仅证实了稀土氧化物掺杂重金属硼酸盐玻璃在辐射屏蔽应用中的巨大潜力，为开发新型高性能防护玻璃提供了重要的成分设计和性能数据支撑，也深刻揭示了材料组成-结构-性能之间的内在关联，对未来多功能玻璃材料的理性设计具有重要的指导意义。