Fe?O?、CuO、TiO?和CaO对制备玻璃的机械性能和辐射屏蔽性能的比较影响

《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》：Comparative effects of Fe 2O 3, CuO, TiO 2 and CaO on the Mechanical and radiation Shielding Properties of Fabricated Glasses

本研究分析了Fe?O?、CuO、TiO?和CaO掺杂玻璃的机械性能和γ射线屏蔽特性。通过Makishima-Mackenzie模型和实验测量发现，Fe?O?和CuO在不同能量下表现出最优的衰减系数和机械强度，TiO?增强硬度，CaO影响较小。该研究为核能、医疗和工业中的辐射屏蔽材料开发提供了新思路。

　　该研究探讨了金属氧化物（Fe?O?、CuO、TiO?和CaO）对10Na?O–20PbO–60B?O?–10MO玻璃的机械性能和辐射屏蔽特性的影响。这些金属氧化物在玻璃材料的结构和功能特性中扮演着关键角色，为开发具有优异性能的多功能玻璃提供了新的思路。随着科技的进步，材料科学在多领域的发展中日益重要，特别是在需要辐射防护的应用中，如核能、医疗设备和工业环境。因此，探索能够同时提升机械性能和辐射屏蔽能力的玻璃材料具有重要的实际意义。

玻璃是一种多功能材料，因其易于加工和可塑性而在多种工业应用中被广泛使用。通过引入不同的金属氧化物，可以进一步优化玻璃的性能，使其在特定应用中表现更佳。例如，Fe?O?在提升玻璃密度和灵活性方面表现出色，而CuO则因其较高的线性衰减系数（LAC）在低能辐射防护中具有显著优势。TiO?则在硬度提升方面表现突出，同时具备高折射率和光催化特性，CaO则有助于提高玻璃的化学稳定性和耐用性。这些金属氧化物在玻璃基质中的相互作用，为开发具有卓越性能的玻璃材料提供了理论依据和实验支持。

研究采用熔融急冷法（melt quenching）制备了不同金属氧化物掺杂的玻璃样品，并通过实验测量和理论模型（Makishima–Mackenzie模型）分析了其机械性能。实验结果显示，Fe?O?掺杂玻璃的硬度达到5.0 GPa，表明其在提升玻璃结构强度方面具有明显优势。同时，CuO掺杂玻璃在低能范围（如0.511 MeV）表现出更高的LAC，这使其在低能辐射屏蔽方面更具潜力。这些结果表明，不同金属氧化物对玻璃性能的影响是显著的，且具有不同的适用范围。

在辐射屏蔽性能方面，研究通过实验测量和模拟方法（如MCNP-5）分析了玻璃在不同能量范围（0.511–1.332 MeV）下的线性衰减系数（LAC）和半值层（HVL）。实验数据显示，随着能量的增加，LAC呈现下降趋势，这与辐射与材料之间的相互作用机制有关。在低能范围内，光电效应（PE）是主要的衰减机制，而在中高能范围内，康普顿散射（CS）和电子对产生（PP）则成为主导。因此，不同金属氧化物在不同能量下的衰减效果存在差异。Fe?O?掺杂玻璃在中高能范围（如0.662 MeV和1.332 MeV）表现出较高的LAC值，显示出其在这些能量范围内的卓越辐射屏蔽能力。相比之下，CuO掺杂玻璃在低能范围（0.511 MeV）表现最佳，这与其较高的原子序数和密度有关。

研究还比较了不同金属氧化物掺杂玻璃的辐射防护效率（RPE）和透射因子（TF）。TF表示通过屏蔽材料的辐射百分比，而RPE则衡量材料对辐射的防护能力。结果显示，随着能量的增加，TF呈上升趋势，而RPE则下降。这一现象说明，随着能量的增加，材料对辐射的防护能力减弱。然而，CuO掺杂玻璃在低能范围内表现出最高的RPE，而Fe?O?掺杂玻璃在中高能范围内表现最佳。这种差异反映了不同金属氧化物在不同能量范围内的作用机制和性能优势。

此外，研究还探讨了不同金属氧化物对玻璃密度和硬度的影响。Fe?O?掺杂玻璃具有最高的密度（3.53 g/cm3）和Poison比（σ = 0.264），这表明其在提升玻璃结构稳定性和柔韧性方面具有优势。然而，TiO?掺杂玻璃在硬度方面表现突出，其硬度达到5.0 GPa，这与其强Ti–O键有关。相比之下，CaO掺杂玻璃虽然密度略低，但硬度较高，表明其在提升玻璃强度方面也具有潜力。这些结果表明，硬度的提升不仅依赖于密度，更与材料内部的键合强度和网络结构密切相关。

研究进一步分析了不同金属氧化物对玻璃的透射因子（TF）和辐射防护效率（RPE）的影响。随着玻璃厚度的增加，TF下降，而RPE上升。这表明，更厚的玻璃能够更有效地阻挡辐射，从而提高防护能力。例如，在厚度为2 cm的情况下，CuO掺杂玻璃的RPE达到56.8%，显示出其在低能范围内的优越性能。Fe?O?掺杂玻璃在中高能范围内的RPE也较高，说明其在这些能量范围内的辐射防护效果同样出色。

该研究还与现有文献中的辐射屏蔽玻璃进行了比较。结果显示，Fe?O?和CuO掺杂玻璃在低能和中高能范围内的性能分别接近或超越了某些商业辐射屏蔽玻璃（如RS253、RS323 G19等）。尽管这些玻璃在某些方面表现良好，但它们仍然无法完全替代含铅玻璃，因为含铅玻璃在高能辐射防护方面具有更高的效率。因此，研究提出，未来可以进一步优化这些玻璃材料，通过引入其他高Z（原子序数）氧化物（如Bi?O?和WO?）来提高其性能，同时减少对环境的潜在危害。

研究的结论表明，TiO?是提升玻璃硬度的最佳选择，而Fe?O?和CuO则在中高能和低能范围内的辐射防护方面表现出色。这些结果表明，通过合理选择和组合不同的金属氧化物，可以设计出兼具良好机械性能和优异辐射防护能力的多功能玻璃材料。这些材料在核能、医疗设备和工业应用中具有广泛的应用前景，尤其是在需要高强度和高效辐射屏蔽的环境中。此外，研究强调了进一步探索和优化这些材料的重要性，以推动材料科学的进步和玻璃制造技术的创新。