Bi2 O3 纳米晶/聚醋酸乙烯酯/聚氯乙烯共混物的结构-性能调控及其γ射线屏蔽机制研究

针对传统铅基防护材料毒性高、柔性差的问题，研究人员通过溶胶-凝胶法制备了Bi2 O3 NC/PVAc/PVC纳米复合材料。研究发现，6wt% Bi2 O3 NC使材料在59keVγ射线下的线性衰减系数提升至0.870cm-1 ，铅当量厚度降低至3.402cm，同时保持优异的光学性能（折射率3.8）和热稳定性（耐温270℃），为开发环保型柔性辐射防护装备提供了新思路。

　　

在医疗诊断和工业领域，X射线和γ射线的广泛应用使得辐射防护成为重大课题。传统铅基材料虽防护性能优异，但存在毒性大、重量高、柔韧性差等缺陷。随着纳米技术的发展，研究者开始探索以高原子序数金属氧化物（如Bi₂
O₃
）为填料的聚合物复合材料，这类材料兼具轻量化、柔性化和环境友好等优势。然而，如何通过材料设计同时实现高效辐射屏蔽与优良的理化性能，仍是当前研究的难点。

针对这一挑战，Mohammad W. Marashdeh等研究人员在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》发表研究，创新性地将不同形貌的Bi₂
O₃
纳米晶（NC）与聚醋酸乙烯酯（PVAc）/聚氯乙烯（PVC）共混体系结合。通过系统研究材料的结构-性能关系，发现6wt% Bi₂
O₃
NC的引入可使复合材料在59keVγ射线下的辐射防护效率（RPE）达到99.074%，同时保持66%可见光透过率和3.8的高折射率，这种"透明装甲"特性使其在医用防护面罩、柔性防护服等领域具有独特优势。

研究采用溶胶-凝胶法制备α相Bi₂
O₃
NC，通过溶液浇铸获得厚度约125μm的复合薄膜。利用FTIR和XRD分析化学结构与结晶性，SEM/TEM观察微观形貌，UV-Vis测试光学性能，TGA/DSC评估热稳定性，并采用蒙特卡洛模拟（MCNP-5）计算15-356keV能量范围内的辐射屏蔽参数。

【结构表征】HR-TEM显示Bi₂
O₃
NC呈41-100nm球形颗粒、26-50nm棒状及片状混合形貌。XRD证实其为单斜晶系α-Bi₂
O₃
（JCPDS 76-1730），在6wt%掺杂量下仍保持良好结晶性。FTIR谱图中847cm^-1
处新出现的Bi-O特征峰，证实填料与基体间形成氢键相互作用。

【光学性能】随Bi₂
O₃
NC含量增加，薄膜光学带隙（E_g
）从4.2eV降至3.8eV，Urbach能量（E_U
）从88meV增至181meV，表明纳米晶引入新的局域态。在630nm波长处，折射率从1.9显著提升至3.8，这种异常高的光学常数源于Bi³⁺
（Z=83）的强极化率。

【热性能】TGA显示复合材料在223-270℃开始分解，6wt%填料使最大分解温度（T_max
）从301℃降至290℃。DSC曲线中观察到的单一玻璃化转变（73.5-75℃），证实PVAc与PVC具有良好相容性。

【辐射屏蔽】蒙特卡洛模拟揭示：在59keV时，6wt% Bi₂
O₃
NC使线性衰减系数（LAC）达0.870cm^-1
，较纯聚合物提升2.3倍；半值层（HVL）降至0.796cm，铅当量厚度（LET）仅需3.402cm。在15keV低能区，辐射防护效率（RPE）高达99.074%，这归因于Bi的L壳层电子对光子的强吸收（σ∝Z^4.6
/E^3.5
）。

该研究通过多尺度结构设计，成功开发出集高效γ射线屏蔽、优异光学性能和柔性特征于一体的新型复合材料。其创新性体现在：①首次将Bi₂
O₃
NC与PVAc/PVC基体结合，利用填料多形貌协同增强；②阐明光学带隙调控与辐射屏蔽性能的构效关系；③验证材料在医用诊断能量范围（15-356keV）的实用价值。相比传统铅橡胶，该材料重量减轻50%以上，且不含有毒元素，在可穿戴防护设备、移动式辐射屏蔽等领域具有广阔应用前景。未来研究可进一步优化纳米晶分散性，探索更高填料负载下的性能极限。