Gd2O3掺杂对SiO2-ZnO-PbO2玻璃体系光学-机械-辐射屏蔽性能的协同调控机制研究

本文系统研究了Gd2O3掺杂对SiO2-ZnO-PbO2玻璃体系多性能协同效应，通过Makishima–Mackenzie模型、吸收光谱和Phy-X程序分别验证了机械性能下降（弹性模量56.035→54.913 GPa）、光学带隙缩减（2.920→2.789 eV）与辐射屏蔽增强（质量衰减系数74.974→78.600 cm2/g）的负相关性，为开发新型辐射防护材料提供理论依据。

　　

Highlight

样品制备

采用熔融淬火技术制备了四种含ZnO和PbO₂的硅酸盐玻璃样品，其中GdO₂作为掺杂剂的比例范围为0至1.5 mol%（见表1）。所有使用的氧化物纯度均高达99%。每个样品的粉末经过精确称重和充分混合后，置于氧化铝坩埚中，在电炉内于1100°C加热2-3小时。在整个熔融过程中，熔体通过定期搅拌确保均匀性，随后将熔体快速倒入预热的铜模具中进行淬火，最后将制成的玻璃样品进行退火处理以消除内应力。

机械性能

Gd₂O₃和PbO₂对玻璃样品机械性能的影响如表2所示。随着Gd₂O₃和PbO₂含量的增加，样品密度呈现上升趋势，同时氧摩尔体积（OMV）下降，而氧堆积密度（OPD）显著增加（见图2）。OPD的升高表明玻璃网络结构更加致密，从而增强了材料的机械刚性。此外，弹性模量从56.035 GPa（Gd0样品）逐渐降低至54.913 GPa（Gd1.5样品），表明掺杂虽提升了密度，但一定程度上削弱了网络的整体刚性。

结论

本研究通过熔融淬火技术成功合成了四种Gd₂O₃掺杂的SiO₂-ZnO-PbO₂玻璃样品，并系统表征了其密度、光学、机械及辐射屏蔽性能。实验测得密度从Gd0样品的5.510 g/cm³增加至Gd1.5样品的5.943 g/cm³，证实了成分致密化效应。光学测量显示直接带隙从2.920 eV系统性地减小至2.789 eV。机械性能分析进一步揭示了组分变化对网络稳定性的影响。