CdO-Al2O3-PbO-Bi2O3玻璃陶瓷的结构力学与辐射屏蔽性能：多技术联用揭示新型晶相调控机制

本文通过FTIR（傅里叶变换红外光谱）、SEM（扫描电镜）、XRD（X射线衍射）及正电子湮灭谱（PAL）等多技术联用，系统研究了CdO掺杂对Al2O3-PbO-Bi2O3玻璃陶瓷的调控作用。研究发现新型Cd3Bi10O20晶相的形成显著降低晶粒尺寸并提升位错密度，进而影响材料弹性模量、德拜温度及辐射屏蔽性能（质量衰减系数达103→5 cm2/g），为开发高性能辐射防护材料提供新思路。

　　

Highlight

引言

重金属氧化物（HMOs）如PbO、CdO和Bi₂O₃的独特结构为开发新型功能材料提供了可能。研究表明，Bi/Pb比例和温度可调控玻璃陶瓷中复杂晶相的形成，进而影响其电学和光学特性（Balamurugan等，2019）。

材料与方法

按化学式2Al₂O₃–64PbO–(34–x)Bi₂O₃–xCdO（x=0,3,6,9 mol%）混合高纯原料，经玛瑙研钵均质化后，于950℃铂坩埚熔融1小时，最终铜板淬冷获得样品。

EDX分析

图1显示含0与9 mol% CdO的样品中O、Al、Pb、Bi、Cd元素均匀分布，验证了表1成分的准确性。尽管存在微晶域，但其成分一致性证实了材料的化学均质性。

FTIR分析

图2展示了玻璃陶瓷的红外吸收光谱，揭示了Al-O、Bi-O和Pb-O键的振动模式。CdO的引入通过[CdO₄]结构单元生成非桥氧键和较弱的Cd–O键，对现有结构单元振动模式影响轻微但显著。

结论

FTIR与XRD分析表明，Cd₃(BiO₂)₁₀新相的形成减小了晶粒尺寸，增大了晶格应变和位错密度，导致SEM可见的裂纹/空隙。这些结构变化降低了密度、超声波速及弹性模量，同时使辐射屏蔽性能在光电区域（0.015-0.1 MeV）呈现近乎零透射率。PAL数据进一步证实CdO增加了空位尺寸而降低其浓度，与XRD结果一致。