高熵稀土合金氧化物调控锌硼酸盐玻璃的结构与辐射屏蔽性能研究

本研究针对传统辐射屏蔽材料性能局限，创新性地采用高熵稀土合金氧化物(HEAO)和机械合金化高熵氧化物(HEO)掺杂锌硼酸盐玻璃，系统探究了合成路径对材料结构均一性、光学特性及γ射线/中子屏蔽效能的影响。结果表明HEAO掺杂玻璃具有更均匀的非晶网络结构、更低的Urbach能量及显著提升的辐射衰减性能，为设计新一代多功能辐射防护玻璃提供了结构优化新策略。

　　

在核能利用和放射医学快速发展的今天，高效、环保的辐射屏蔽材料成为研究热点。传统铅基材料虽性能优异但存在毒性问题，而锌硼酸盐玻璃因其优异的化学稳定性、可调控的光学特性及中子吸收能力成为潜在替代品。然而，单一稀土掺杂对材料性能的提升已接近瓶颈。近期，高熵材料(High-entropy materials)概念的兴起为材料设计开辟了新思路——通过五种以上主元元素的等摩尔混合，形成熵稳定的独特结构，可产生传统材料无法实现的性能组合。

在此背景下，由Princess Nourah bint Abdulrahman University支持的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表了一项突破性研究。该工作首次将高熵设计理念与稀土掺杂策略相结合，创新性地对比了两种高熵稀土前驱体——直接机械合金化氧化物(RE-HEO)与先合金化金属再氧化(RE-HEAO)对锌硼酸盐玻璃性能的影响。研究团队提出核心假设：掺杂剂的结构有序度和氧配位环境（而非单纯元素组成）才是决定辐射屏蔽效能的关键因素。

关键技术方法包括：1) 采用350rpm球磨100小时制备SmHoErYbGd五元高熵合金；2) 通过高温氧化将合金转化为氧化物(HEAO)；3) 熔融淬冷法制备掺杂玻璃；4) 结合XRD、UV-Vis和γ射线透射测试系统分析材料性能。

【Production of RE-HEO and RE-HEAOs】
通过对比两种合成路径发现：机械合金化金属再氧化的HEAO粉末比直接混合氧化物的HEO具有更均匀的元素分布。XRD显示HEAO在20小时球磨后即出现显著峰宽化，而HEO需80小时才达到类似非晶化程度，证实合金化路径能促进原子级混合。

【Structural properties】
HEAO掺杂玻璃表现出更均匀的非晶网络结构，傅里叶红外光谱显示其[BO₃]三角体向[BO₄]四面体转化更完全，网络交联度提升。这种结构差异源于HEAO中稀土离子的氧配位环境更均一，而HEO中局部晶格畸变更显著。

【Optical characterization】
光学测试揭示HEAO玻璃的Urbach能量（表征结构无序度）比HEO样品低18%，吸收边红移0.25eV，表明其带尾态减少且光学带隙可调。这种特性与更均匀的玻璃网络结构直接相关。

【Radiation shielding performance】
在0.662MeVγ射线屏蔽测试中，HEAO玻璃的线性衰减系数比HEO样品高12%，半值层厚度降低9.8%。更惊人的是其中子移除截面达0.112cm^-1，超越传统屏蔽材料B₄C（0.085cm^-1）和石墨（0.064cm^-1）。蒙特卡罗模拟表明HEAO中均匀分布的稀土元素产生了协同中子吸收效应。

这项研究通过巧妙的材料设计策略证明：高熵稀土合金氧化物(HEAO)的"先合金化后氧化"路径能创造独特的原子尺度环境，其结构均一性和优化的氧配位显著提升了锌硼酸盐玻璃的辐射屏蔽性能。特别是HEAO玻璃对快中子的卓越吸收能力，使其在核反应堆中子慢化层、医用直线加速器屏蔽等领域具有重大应用潜力。研究不仅为辐射防护材料开发提供了新范式，更拓展了高熵材料在功能玻璃领域的应用边界——通过调控熵稳定相的结构特征（而不仅是成分），可实现传统掺杂无法获得的性能突破。正如通讯作者Tekin Huseyin Ozan强调的，这项工作的核心价值在于"将高熵合金的结构设计理念引入功能玻璃领域，开辟了通过合成路径工程优化材料性能的新维度"。