掺杂高炉粉尘的硼基玻璃，用于辐射屏蔽应用

《Applied Surface Science Advances》：Boron-Based Glass Doped with Blast Furnace Dust for Radiation Shielding Applications

硼酸盐玻璃中添加25%废钢铁粉尘可显著提升0.015-0.2 MeV范围γ射线屏蔽性能，质量衰减系数最高达503 cm?1，其Zeff值最低但衰减效率最优。XRD证实样品为非晶态，超声测试显示泊松比<0.3，证实高交联网络结构。研究通过熔融淬火法制备四组样品，采用X射线衍射、UV-Vis光谱及PHITS/Phys-X软件分析发现，掺杂BFD使光学带隙从2.687 eV降至2.2 eV，质量衰减系数随BFD含量增加而单调上升，但半价层和平均自由程呈现反向趋势。

　　这项研究聚焦于一种新型玻璃材料的开发，该材料由硼氧化物（B?O?）和铋氧化物（Bi?O?）组成，并掺入了不同比例的高炉粉尘（BFD）。研究的目标是评估这种玻璃材料在γ射线屏蔽方面的性能，同时探讨其结构、机械、光学和核辐射屏蔽特性。通过实验与模拟相结合的方法，研究人员成功制备了四种玻璃样品，分别标记为S1（x=0）、S2（x=5）、S3（x=15）和S4（x=25），其中x表示BFD在玻璃中的摩尔百分比。这项研究不仅为辐射防护材料提供了新的可能性，还为如何利用工业废弃物进行再利用提供了科学依据。

高炉粉尘是一种常见的工业副产品，通常来源于钢铁冶炼过程。由于其成分复杂，包含多种氧化物，如二氧化硅（SiO?）、氧化钙（CaO）、氧化铁（Fe?O?）和氧化锌（ZnO），以及少量的三氧化硫（SO?）、氧化钡（BaO）、二氧化钛（TiO?）、氧化镁（MgO）、三氧化钨（WO?）和三氧化二铝（Al?O?），因此将其作为玻璃材料的掺杂成分具有重要意义。通过将高炉粉尘引入玻璃体系，研究人员不仅实现了材料的再利用，还探索了其对玻璃性能的潜在影响。

在实验过程中，研究人员采用了传统的熔融急冷法来制备玻璃样品。这种方法能够快速冷却熔融玻璃，从而避免晶体的形成，保持其非晶态结构。通过X射线衍射（XRD）技术，研究人员验证了所制备的玻璃样品具有良好的非晶态特征，即没有出现任何晶体相。这表明高炉粉尘的引入并未破坏玻璃的基本结构，而是以一种均匀的方式分散在玻璃网络中。此外，通过紫外-可见光谱（UV-Vis）技术，研究人员分析了玻璃样品的光学特性，包括其吸收系数和直接光学带隙。这些数据为理解玻璃材料在不同能量范围内的光吸收能力提供了重要依据。

在光学特性方面，研究发现随着BFD掺入比例的增加，玻璃样品的直接光学带隙（E?）逐渐减小，从2.687 eV降低至2.2 eV。这一现象表明，BFD的引入改变了玻璃的电子结构，使其在可见光和红外波段的光学性能发生了显著变化。这种变化对于实际应用具有重要意义，因为光学带隙的调整可以影响材料的透明度和光吸收能力，从而优化其在特定领域的使用效果。

在机械性能方面，研究人员利用Makishima-Mackenzie模型对玻璃样品的弹性模量进行了估算。该模型假设玻璃结构为均匀的，并且主要由离子键构成。通过计算，研究人员发现随着BFD掺入比例的增加，玻璃样品的泊松比逐渐减小，低于0.3，表明玻璃网络中存在较高的交联程度。这一特性对于材料的强度和韧性具有积极影响，使其在高压和高温环境下仍能保持良好的结构稳定性。此外，研究还发现，BFD的引入对玻璃的密度和化学均匀性产生了显著影响，这进一步增强了其在辐射防护中的应用潜力。

在核辐射屏蔽方面，研究人员利用Phy-X/PSD软件和PHITS模拟代码对玻璃样品的线性衰减系数（μ）和质量衰减系数（μ?）进行了计算。结果表明，随着BFD掺入比例的增加，μ和μ?呈现出递增的趋势，即S1 < S2 < S3 < S4。这意味着，BFD的引入提高了玻璃对γ射线的吸收能力，使其在较低能量范围内表现出更强的衰减效应。此外，研究还分析了玻璃样品的半值层（HVL）和平均自由路径（MFP），发现它们与μ和μ?的变化趋势相反，即HVL和MFP随着BFD掺入比例的增加而减小。这一现象表明，高炉粉尘的引入不仅提高了玻璃的衰减能力，还缩短了γ射线在玻璃中的传播路径，从而增强了其屏蔽效果。

值得注意的是，S4玻璃样品在0.015–0.2 MeV能量范围内表现出最低的有效原子序数（Z?），但在0.3–15 MeV范围内则具有最高的Z?值。这表明，S4玻璃在不同能量范围内的辐射屏蔽性能存在显著差异。在低能量范围内，其屏蔽能力相对较弱，而在高能量范围内则表现出更强的吸收能力。这一特性对于实际应用具有重要意义，因为不同的辐射源具有不同的能量范围，因此需要针对不同的能量需求选择合适的材料。

研究还发现，随着BFD掺入比例的增加，玻璃样品的线性电/介电极化率（χ?1?）逐渐减小，从4.75降低至4.07。这一变化表明，BFD的引入改变了玻璃的极化行为，使其在电场作用下的响应能力发生了变化。这可能对玻璃材料在电子器件和光电子应用中的性能产生影响，使其在某些情况下表现出不同的电学特性。

通过分析暴露累积因子（EBF），研究人员进一步评估了玻璃样品在不同能量范围内的辐射屏蔽性能。EBF的计算表明，随着BFD掺入比例的增加，玻璃样品的EBF呈现出一定的变化趋势，这为理解材料在实际应用中的辐射防护能力提供了重要参考。此外，研究还发现，S4玻璃样品在高能量范围内表现出更强的屏蔽能力，这使其成为一种具有广泛应用前景的材料。

从环境和可持续发展的角度来看，这项研究的意义在于将工业废弃物转化为具有实际应用价值的材料。高炉粉尘的引入不仅减少了工业垃圾的排放，还为资源的再利用提供了新的途径。这种做法符合全球范围内的环保理念，有助于推动循环经济的发展。同时，通过提高玻璃材料的辐射屏蔽性能，研究人员为医疗、工业和核领域提供了更安全、更高效的防护材料。这种材料的开发不仅具有科学价值，还具有重要的社会和经济意义。

综上所述，这项研究通过系统的实验和模拟方法，评估了BFD掺入对玻璃材料性能的影响。研究结果表明，随着BFD掺入比例的增加，玻璃样品的机械、光学和辐射屏蔽性能均有所改善。其中，S4玻璃样品在高能量范围内表现出最强的辐射屏蔽能力，这使其成为一种具有广泛应用前景的材料。此外，这项研究为工业废弃物的再利用提供了科学依据，有助于推动可持续材料科学的发展。通过将高炉粉尘引入玻璃体系，研究人员不仅实现了材料的再利用，还探索了其对玻璃性能的潜在影响，为未来的研究和应用提供了新的思路。