铒掺杂硼碲酸盐玻璃的机械性能优化与γ光子衰减增强机制研究

本研究针对传统辐射屏蔽材料（如铅、混凝土）的环境毒性及功能局限性，通过熔融淬火法制备Er2O3掺杂硼碲酸盐玻璃（(0.7-y)B2O3-0.05TeO2-0.1Bi2O3-0.1SrO-0.05K2O-yEr2O3），结合Makishima-Mackenzie理论模型和XCOM软件分析，发现Er3+掺杂使玻璃密度提升至3.84 g/cm3，泊松比增至0.32，且在0.100 MeV能量下半值层低至4.38 cm，证实BTBEr1.1玻璃兼具优异机械强度与辐射屏蔽性能，为环保型透明防护材料开发提供新思路。

　　

随着核技术在能源、医疗等领域的广泛应用，γ辐射防护成为关乎人类健康与环境安全的重要议题。传统屏蔽材料如含铅制品存在生物毒性，而混凝土虽成本低廉却存在透光性差、易吸水等缺陷。如何开发兼具高效辐射衰减、环境友好且可定制化功能的材料，成为材料科学领域的重大挑战。玻璃基质因其透明性、可掺杂重金属氧化物等特性被视为理想候选，但需解决机械强度与辐射衰减性能的协同优化问题。

马来西亚理工大学（Universiti Teknologi Malaysia）的研究团队Suleman Modu Ngaram等人在《Materials Chemistry and Physics》发表研究，通过熔融淬火法制备四种不同Er₂O₃掺杂浓度（0.5-1.1 mol%）的硼碲酸盐玻璃，系统评估其机械性能与光子衰减特性。研究采用Makishima-Mackenzie理论计算弹性模量，结合XCOM程序模拟0.015-15 MeV能区的质量衰减系数，首次揭示Er³⁺对硼碲酸盐玻璃结构与功能的双重调控机制。

关键技术方法

1. 熔融淬火法制备玻璃样品（1000°C熔融35分钟，350°C退火）
2. Makishima-Mackenzie模型计算弹性模量（含剪切模量G、体积模量K等）
3. XCOM软件模拟γ射线衰减参数（半值层HVL、平均自由程MFP）

玻璃制备
通过精确控制B₂O₃/Er₂O₃比例制备系列玻璃，XRD验证非晶态结构，密度测试显示Er₂O₃含量从0.5增至1.1 mol%时，密度线性提升3.69→3.84 g/cm³。

机械性能
Er³⁺的引入显著改善玻璃网络稳定性：

• 显微硬度从4.83 GPa（BTBEr0.5）提升至6.55 GPa（BTBEr1.1）
• 泊松比由0.27增至0.32，表明韧性增强
• 杨氏模量、体积模量分别提高19%和22%，证实结构致密化

辐射屏蔽特性
XCOM分析显示：

1. 质量衰减系数在0.100 MeV处最高，Er₂O₃增加使HVL从4.62 cm（BTBEr0.5）降至4.38 cm（BTBEr1.1）
2. 高能区（>1 MeV）衰减性能与Er含量呈正相关，归因于Er（Z=68）的光电效应增强
3. OPD（氧堆积密度）升至88.199 g·atm·L^-1，与γ屏蔽效率呈显著正相关

结论与意义
该研究证实1.1 mol% Er₂O₃掺杂的BTBEr1.1玻璃具有最优综合性能：其高密度（3.84 g/cm³）与Er³⁺的光子俘获能力协同作用，使辐射屏蔽效率超越传统硼硅酸盐玻璃；同时提升的弹性模量（剪切模量达16 GPa）满足核设施结构材料要求。该工作不仅为稀土掺杂玻璃在辐射防护领域的应用提供理论依据，更开创了"机械-功能一体化"玻璃设计新范式，对开发可替代铅基材料的透明防护体具有重要工程价值。