ZnO改性镁铅硼酸盐玻璃的光学-力学-辐射屏蔽协同优化机制及医学防护应用

为解决传统辐射屏蔽材料密度大、透明度低的问题，研究人员通过熔融淬火法制备(60-x)B2O3-20PbO-10MgO-xZnO（x=0-30 mol%）玻璃体系。研究发现ZnO的引入使密度提升至4.230 g/cm3，光学带隙呈现先降后升的非单调变化（2.905-3.429 eV），机械性能显著增强（弹性模量达41.134 GPa），在0.662 MeV能量下辐射屏蔽性能优于商用RS-253-G1玻璃，为医疗辐射防护提供新型透明材料解决方案。

　　

在医疗诊断和放射治疗领域，γ射线和X射线既是不可或缺的工具，也是潜在的职业危害源。传统铅板和混凝土屏蔽材料存在重量大、不透光的缺陷，而现有透明防护材料如RS系列商用玻璃在机械强度和衰减效率方面仍有提升空间。PbO-B₂O₃基玻璃虽具备优异的光学透明性，但其网络结构稳定性和抗辐射性能的调控机制尚未完全阐明，特别是ZnO与MgO协同改性对材料多性能耦合影响的研究仍存空白。

为突破这些技术瓶颈，研究人员通过传统熔融淬火技术制备了ZnO改性镁铅硼酸盐（ZPMB）玻璃系列，系统研究了(60-x)B₂O₃-20PbO-10MgO-xZnO（x=0,10,20,30 mol%）体系的结构与性能关系。该成果发表在《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》，揭示了过渡金属氧化物在功能玻璃中的构效关系，为开发下一代智能辐射防护材料提供了理论依据。

研究采用X射线衍射（XRD）确认非晶结构，通过阿基米德法测定密度，结合紫外-可见光谱分析光学性能，利用差示扫描量热法（DSC）表征热稳定性，基于Makishima-Mackenzie模型计算力学参数，并采用Phy-X/PSD和XCOM软件模拟辐射屏蔽性能。

3.1 XRD光谱分析
所有样品在28°附近呈现典型非晶弥散峰，ZnO含量增至30 mol%时衍射峰强度增强，表明Zn²⁺对玻璃短程有序结构的修饰作用。

3.2 密度与摩尔体积
密度随ZnO添加呈线性增长（3.802→4.230 g/cm³），而摩尔体积从25.618 cm³/mol降至23.863 cm³/mol，证实Zn²⁺（0.60 ?）比B³⁺（0.27 ?）更有效填充网络间隙。

3.3 DSC分析
玻璃转变温度（T_g）呈现"V"型变化（340→319→333°C），反映ZnO在低浓度时作为网络修饰剂生成非桥氧，高浓度时参与形成[ZnO₄]四面体强化网络。

3.4 光学性能
吸收边发生红移（247→333 nm）后蓝移，对应光学带隙从3.600 eV降至2.905 eV（x=10）后回升至3.429 eV（x=30），Urbach能量变化（0.218→0.262→0.237 eV）印证结构无序度先增后减。

3.5 力学性能
弹性模量提升35%达41.134 GPa，剪切模量增加24%至16.827 GPa，归因于Zn-O键（49.9 kJ/cm³）对B-O键（15.6 kJ/cm³）的替代增强效应。

3.6 辐射屏蔽特性
在0.015 MeV处质量衰减系数达62.302 cm²/g（Z30），有效原子序数（Z_eff）在Pb的K吸收边（0.089 MeV）出现峰值。与混凝土相比，Z30玻璃在0.662 MeV时的平均自由程（2.642 cm）缩短约40%，半值层（HVL）较RS-253-G1降低28%。

该研究通过多尺度表征揭示了ZnO在硼酸盐玻璃中的双重作用机制：低于10 mol%时主要作为网络修饰剂降低交联度，超过该阈值则转变为网络形成体。所开发的Z30玻璃兼具优异机械性能（弹性模量>40 GPa）、光学透明度（带隙>3.4 eV）和辐射屏蔽效率（HVL<1.3 cm@0.662 MeV），其性能参数超越ASTM标准规定的医用防护材料要求。特别是材料在0.1-1 MeV关键医疗辐射能量区间的衰减特性，为CT机房观察窗、核医学防护屏等场景提供了创新解决方案。研究建立的成分-结构-性能关系模型，对指导其他重金属氧化物改性功能玻璃的开发具有普适意义。