基于HDPE/Bi2O3纳米复合材料的γ射线/中子协同防护性能研究

【编辑推荐】针对传统辐射防护材料（如铅）毒性高、重量大的问题，研究人员通过溶胶-凝胶法制备了含Bi2O3纳米颗粒（0-40 wt%）的HDPE复合材料。实验结合XRD/SEM表征和HPGe探测器测试，证实Bi2O3可显著提升材料对121-1408 keV γ射线及中子的屏蔽性能，HVL（半值层）最高降低85%，为开发轻量化无毒防护材料提供新思路。

　　

在核能、医疗及工业领域，辐射防护始终是关乎人员安全的核心问题。传统铅基屏蔽材料虽有效却存在毒性大、难以加工等缺陷，而混凝土等中子防护材料易开裂老化。随着纳米技术的发展，聚合物基纳米复合材料因其轻质、可设计性强等优势成为研究热点。其中，三氧化二铋(Bi₂O₃)因原子序数高(Z=83)、密度接近铅且无毒的独特性质，被视作理想的铅替代材料。然而，如何通过纳米尺度分散优化其在聚合物基体中的辐射屏蔽效能，仍是亟待解决的科学问题。

由H. A. Ashry、Afaf Nada等团队发表于《Applied Radiation and Isotopes》的研究，系统探究了高密度聚乙烯(HDPE)负载不同比例(4.0-40.0 wt%)Bi₂O₃纳米颗粒(NPs)的γ/中子协同防护性能。研究采用溶胶-凝胶法合成α相Bi₂O₃-NPs，通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)验证其晶体结构及分散性；利用高纯锗(HPGe)探测器测量Eu-152源发射的121-1408 keV γ射线衰减数据，结合NIST-XCOM理论模拟计算质量衰减系数(μ_m)、半值层(HVL)等参数；另采用Am²⁴¹-Be中子源测定宏观中子截面(ΣT)。

材料表征
XRD分析显示800℃退火的Bi₂O₃-NPs呈现典型α相结晶峰，SEM证实纳米颗粒均匀分散于HDPE基体。EDX谱验证了Bi元素成功掺杂，为后续屏蔽性能研究奠定材料基础。

γ射线屏蔽性能
实验数据与XCOM模拟高度吻合：40 wt%样品在121 keV能量下μ_m达0.183 cm²/g，较纯HDPE提升6.3倍；HVL从4.4674 cm降至0.6521 cm，降幅达85%。随着γ能量升高，屏蔽效能逐渐减弱，但1408 keV时仍保持显著优势，证明Bi₂O₃对宽能谱γ射线均有效。

中子屏蔽性能
复合材料的ΣT随Bi₂O₃含量增加而线性上升，40 wt%样品较纯HDPE提升210%。HDPE中的氢元素通过弹性散射慢化快中子，Bi元素则通过俘获反应吸收热中子，形成协同防护机制。

该研究证实Bi₂O₃/HDPE纳米复合材料兼具轻质、柔性及优异的多谱辐射防护能力，其HVL与ΣT的显著优化为核设施防护服、医疗屏蔽设备等应用提供新材料选择。特别值得注意的是，40 wt%样品的γ屏蔽性能已接近传统铅板，而重量仅为其1/5，且避免了铅的生态毒性。未来研究可进一步探索Bi₂O₃与其他纳米填料（如碳化硼）的复配效应，以应对更复杂的混合辐射场防护需求。