天然埃洛石粘土砖作为高效γ射线屏蔽材料的制备与性能研究：结构、热学及辐射防护特性的实验评估

为解决传统辐射屏蔽材料在高热环境下性能下降的问题，俄罗斯研究团队创新性地采用天然埃洛石(Halloysite)粘土制备系列砖体，通过调控压力(7.61-114.22 MPa)显著提升材料密度(2.123-2.701 g/cm3 )和线性衰减系数(LAC)，在0.662 MeV能量下LAC达0.225 cm-1 ，辐射防护效率(RPE)提升至87.3%。该研究为高温环境γ射线防护提供了新型环保解决方案。

　　

随着核技术在医疗、能源等领域的广泛应用，辐射防护材料面临两大核心挑战：传统铅基材料的环境毒性问题，以及常规粘土材料在高温下因孔隙率增加导致的屏蔽性能衰减。特别是在核电站、放射治疗室等高温工作场景中，亟需开发兼具环保性、热稳定性和高效辐射屏蔽性能的新型材料。俄罗斯研究团队另辟蹊径，将目光投向自然界中广泛存在的埃洛石(Halloysite)粘土矿物——这种由亿万年前地质作用形成的纳米管状材料，因其独特的硅铝氧氮化物(Si-Al-O-N)结构和低于其他粘土矿物的高温失重特性(500°C时仅9%质量损失)，展现出成为理想辐射屏蔽材料的潜力。

为系统评估埃洛石粘土的辐射防护效能，来自俄罗斯科学院等机构的研究人员Hamid R. Alosaimi、O.L. Tashlykov等合作开展了这项创新研究。团队采用液压压制技术(15-ton SD0821ROSSVIK压力机)制备了六组不同压力参数(7.61-114.22 MPa)的埃洛石粘土砖，通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、热重-差示扫描量热(TG-DSC)等表征手段系统分析了材料特性，并创新性地结合窄束透射法与蒙特卡洛模拟(MCNP-5)评估γ射线屏蔽性能。研究成果发表在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》上，为高温辐射防护领域提供了重要解决方案。

关键实验技术
研究采用多尺度表征技术：XRD确定晶体结构(2θ范围5-65°)，SEM-EDX分析元素分布(20 kV加速电压)，TG-DSC评估热稳定性(10 K/min升温速率)。辐射屏蔽性能通过NaI(Tl)闪烁探测器测量，结合窄束透射法计算线性衰减系数(LAC)，并采用MCNP-5模拟验证(能量范围0.059-2.506 MeV)。

研究结果

3.1 埃洛石粘土特性表征
XRD分析显示典型(001)衍射峰(2θ=11.8°，层间距0.75 nm)，证实为脱水态埃洛石-7?。FT-IR光谱在3694 cm^-1
和3620 cm^-1
处出现羟基特征峰，SEM显示10-38 nm纳米管结构。EDX定量分析表明主要成分为O(40.28 wt%)、Si(29.72 wt%)和Al(27.25 wt%)。热分析显示500°C时质量损失仅9%，显著优于普通粘土材料。

3.2 辐射屏蔽性能评估
压力提升使材料密度从2.123 g/cm³
(7.61 MPa)增至2.701 g/cm³
(114.22 MPa)，孔隙率降低27.2%。在0.662 MeV能量下：

• LAC从0.176 cm^-1
  (H-1)提升至0.225 cm^-1
  (H-6)
• 半值层(HVL)从3.94 cm降至3.08 cm
• 10 cm厚度辐射防护效率(RPE)达87.3%
  蒙特卡洛模拟与实验测量误差<10%，验证了数据的可靠性。与常规粘土砖相比，114.22 MPa压制样品LAC比膨润土-硫酸钡复合材料(BCB80)高14.7%。

研究结论与意义
该研究首次证实埃洛石粘土砖在高温辐射防护中的应用价值：

1. 结构优势：纳米管状形貌和Si-Al-O-N化学组成赋予材料优异的热稳定性，500°C下仍保持91%质量保留率；
2. 性能可调性：通过压力调控(7.61-114.22 MPa)可实现密度27.2%的提升，直接优化屏蔽性能；
3. 环保替代：完全不含铅元素，解决了传统辐射防护材料的环境污染问题；
4. 工程适用性：10 cm厚度即可实现>80%的γ射线吸收率，适用于医疗放射室墙体建设。

研究团队特别指出，在核废料容器、核电站防护墙等高温应用场景中，埃洛石粘土砖的综合性能优于传统混凝土和铅基材料。未来通过元素掺杂(如添加BaSO₄
)或结构优化，有望进一步提升其屏蔽性能，为辐射防护材料领域开辟新的研究方向。