CeO2纳米颗粒增强聚合物纳米复合材料的辐射屏蔽与力学性能研究：一种轻量化铅基替代材料的突破

为替代传统铅基辐射防护材料，研究人员通过溶液浇铸法制备了不同CeO2 NPs含量的PVC纳米复合材料，发现70% CeO2 NPs的PCe-3对60Co高能γ射线（1.173-1.332 MeV）屏蔽时减重达32%，兼具优异力学性能，为轻量化辐射防护服（RPC）开发提供新策略。

　　

随着核技术应用日益广泛，传统铅基辐射防护材料因毒性、重量大等缺陷亟待替代。铅防护服不仅笨重影响穿戴者行动，长期接触还会引发铅中毒。更棘手的是，在医疗和核工业场景中，高能γ射线（如⁶⁰Co释放的1.173-1.332 MeV射线）的防护需要更厚的铅层，进一步加剧了重量问题。与此同时，聚合物基纳米复合材料因其可设计性强、轻量化等优势成为研究热点，但如何平衡辐射屏蔽效率与力学性能仍是挑战。

为此，来自国内的研究团队在《Materials Today Communications》发表研究，创新性地将二氧化铈(CeO₂)纳米颗粒（NPs）引入聚氯乙烯(PVC)基质，通过溶液浇铸法制备了三种不同配比的纳米复合材料（PCe-1至PCe-3）。研究人员采用X射线衍射(XRD)和场发射扫描电镜(FE-SEM)解析材料结构，通过拉伸试验评估力学性能，并系统测试了对²⁴¹Am、¹³⁷Cs和⁶⁰Co等放射源的γ射线屏蔽效能。

关键技术包括：1）溶液浇铸法制备PVC/CeO₂纳米复合薄膜；2）XRD与FE-SEM表征材料微观结构；3）万能试验机测试拉伸性能；4）标准γ射线源测定质量衰减系数(MAC)等屏蔽参数。

【Morphological analysis】
FE-SEM显示CeO₂ NPs在PVC基质中均匀分散，30%含量时粒径最小（约80 nm），高含量样品出现轻微团聚但仍保持纳米特性，这为同时提升力学和屏蔽性能奠定结构基础。

【Mechanical properties】
含30% CeO₂ NPs的PCe-1表现出最优力学性能，拉伸强度比纯PVC提高47%，证实低浓度纳米颗粒的增强效应。而高含量样品因团聚现象导致力学性能下降，但仍优于传统铅材料。

【Radiation shielding performance】
70% CeO₂ NPs的PCe-3展现出革命性屏蔽效果：对59.6 keV(²⁴¹Am)射线减重15.36%，对1.173-1.332 MeV高能γ射线减重更达32%，其质量衰减系数(MAC)接近铅的85%，而厚度仅为铅的1/3。

这项研究突破了铅基材料的重量限制，首次证实CeO₂/PVC纳米复合材料可实现"高屏蔽-轻量化-强力学"的协同优化。PCe-3材料在核电站防护服、医疗放射屏蔽等领域具有重大应用前景，其环境友好特性更符合可持续发展需求。该成果为新型辐射防护材料设计提供了普适性策略——通过调控纳米填料含量可定向优化特定性能，这对开发下一代智能防护装备具有指导意义。