ZnO+PbO2共掺调控硼酸盐玻璃的机械性能与辐射屏蔽协同优化机制研究

本文推荐一种新型(70-x-y)B2O3-19BaO-9TiO2-xZnO-yPbO2-2Gd2O3玻璃体系，通过熔融淬火法制备的样品显示：随着ZnO+PbO2含量增加（2.5-10 mol%），密度（ρ）提升至4.338 g/cm3，质量衰减系数（MAC）在0.122 MeV达1.139 cm2/g，半值层（HVL）较传统材料降低33%。FTIR证实结构致密化，机械性能与辐射屏蔽呈现可调控的负相关关系。

　　

Highlight亮点

通过ZnO+PbO₂共掺杂策略，我们成功实现了硼酸盐玻璃网络结构的精准调控。这种"一石二鸟"的设计既增强了γ射线屏蔽效能，又保持了材料可加工性，为医疗放射防护提供了新思路。

物理特性

当B₂O₃被ZnO（分子量81.38 g/mol）和PbO₂（分子量239.2 g/mol）逐步取代时，玻璃密度呈现"阶梯式"增长，从3.637 g/cm³跃升至4.338 g/cm³。有趣的是，摩尔体积却从26.625 cm³/mol收缩到25.458 cm³/mol，这就像给玻璃网络做了"压缩手术"，使得原子排列更加紧密。

机械性能

采用Makishima-Mackenzie模型分析发现，随着"重金属注入"，玻璃的离解能从65.951 kJ/mol"滑坡式"下降至57.326 kJ/mol，而杨氏模量（Young's modulus）也从91.217 GPa"缩水"到76.772 GPa。这就像在玻璃骨架里加入柔性关节，虽然牺牲了些许刚性，却换来了更好的抗冲击性能。

辐射屏蔽

10ZnPb样品展现出"冠军级"屏蔽性能：在0.122 MeV能量下，线性衰减系数（LAC）高达4.940 cm^-1，相当于给γ射线设置了"多重减速带"。更惊艳的是，其半值层（HVL）在0.296 MeV时仅需0.826 cm，比传统铅玻璃薄了1/3，真正实现了"以薄取胜"。

Conclusion结论

这项研究揭示了重金属氧化物在玻璃中的"双重人格"效应：PbO₂像"重量级拳击手"负责吸收辐射，而ZnO则扮演"结构调节师"，二者协同打造出兼具优异机械性能和辐射屏蔽功能的智能材料。这种可定制化设计为核医学防护开辟了新航道。