ZnO与La2O3协同增强硼酸盐玻璃的机械性能、光学特性及辐射屏蔽效能研究

为开发高性能无铅辐射屏蔽材料，研究人员通过熔融淬冷法制备B2O3-Bi2O3-Na2O-ZnO-La2O3透明玻璃体系（14Zn1La/16Zn2La/18Zn3La）。研究发现，La2O3和ZnO的引入使密度提升至3.442 g/cm3，有效原子数（Zeff）达55.34，辐射屏蔽性能优于传统硼硅酸盐玻璃，同时维持3.332 eV的宽光学带隙。该研究为核医学和工业辐射防护提供了新型环保材料解决方案。

　　

在核能利用和医疗放射技术快速发展的今天，传统铅基辐射屏蔽材料因毒性、重量大和透光性差等问题日益凸显局限性。硼酸盐玻璃虽具有低熔点、易加工等优势，但其 hygroscopic（吸湿性）特性和较弱的机械强度制约了实际应用。如何通过组分调控同时提升玻璃的辐射屏蔽效能、机械稳定性和光学性能，成为材料科学领域的重要挑战。

沙特阿拉伯塔布克大学可再生能源与环境技术中心（University of Tabuk, Renewable Energy and Environmental Technology Center）的研究团队创新性地将高密度ZnO（5.61 g/cm³）和稀土氧化物La₂O₃（6.51 g/cm³）引入B₂O₃-Bi₂O₃-Na₂O体系，通过传统熔融淬冷技术制备出三种透明玻璃（14Zn1La/16Zn2La/18Zn3La）。研究采用Makishima-Mackenzie模型计算机械性能，UV光谱分析光学特性，并利用Phy-X程序模拟0.015-15 MeV宽能区辐射屏蔽参数。

关键方法

1. 1.

   材料合成：按特定摩尔比混合原料，1100℃熔融50分钟制备玻璃样品

2. 2.

   光学表征：UV-T-7200光谱仪测定吸收光谱，基于Tauc plot计算带隙能量（E_g）

3. 3.

   机械分析：通过氧摩尔体积（OMV）和氧堆积密度（OPD）评估结构致密性

4. 4.

   辐射模拟：Phy-X软件计算质量衰减系数（MAC）、半值层（HVL）等参数

研究结果

3.1 光学特性

随着ZnO/La₂O₃含量增加，紫外截止波长从396 nm蓝移至390 nm，直接带隙从3.302 eV增至3.332 eV（图3）。Urbach能量从0.173 eV降至0.156 eV（图4），表明玻璃网络缺陷减少。折射率（n）从2.320降至2.312，光学碱度（Λ）从1.256降至1.252，证实共价键比例提升。

3.2 机械性能

La³⁺大离子半径导致氧摩尔体积从11.815增至12.179 cm³/mol，而氧堆积密度从84.635降至82.108 mol/cm³（表3）。弹性模量呈下降趋势：18Zn3La的杨氏模量（76.991 GPa）较14Zn1La（80.404 GPa）降低4.2%，这与G_t解离能下降（15.367→14.971 kcal/cm³）直接相关。

3.3 辐射屏蔽性能

在0.015 MeV低能区，18Zn3La的MAC达40.422 cm²/g，较14Zn1La（37.445 cm²/g）提升8%（图8）。有效原子数Z_eff在0.03 MeV时达55.34（图13），其HVL在0.4 MeV时为5.185 cm，显著优于含ZnO硼硅酸盐玻璃（7.965 cm）（图14）。

结论与意义

该研究证实La₂O₃/ZnO协同作用可突破"高屏蔽-低稳定性"的权衡困境：虽然机械性能略有下降，但18Zn3La样品在15 MeV高能区仍保持0.105 cm^-1的线性衰减系数，且具备72.8%的可见光透过率。这种兼具透明性、轻量化和高效屏蔽性能的材料，为核医学观察窗、航天器辐射防护等特殊场景提供了新选择。论文发表于《Journal of Radiation Research and Applied Sciences》，为无铅屏蔽玻璃设计建立了组分-性能调控新范式。