设计和表征了在CaO-MgO-P2O5-SiO2体系中添加TiO2改性的环保型磷酸硅酸盐玻璃，用于辐射屏蔽保护

《Applied Radiation and Isotopes》：Design and characterization of eco-friendly phospho-silicate glasses modified with TiO 2 in the CaO-MgO-P 2O 5-SiO 2 system for radiation shielding protection

通过添加不同量的钛氧化物至磷硅酸盐玻璃体系中，研究了其对玻璃物理性质、光学性能及γ射线屏蔽效率的影响。结果表明，钛氧化物含量增加显著提升了材料的密度、氧密度和场强，增强了γ射线衰减能力，同时保持高可见光透光率，为开发环保型低成本辐射屏蔽材料提供了新途径。

　　

H.A. Abo-Mosallam|Mohamed I. Farouk|Mostafa I. Abdelglil|A.G. Darwish

埃及开罗Dokki区El-Buhouth街33号，国家研究中心玻璃研究部，邮编12622

摘要

本研究的主要目标是开发环保且成本效益高的辐射屏蔽玻璃。基于30CaO-(20-X)MgO-XTiO₂-5P₂O₅-45SiO₂玻璃体系（其中X = 0、1.0、2.0、4.0和6.0摩尔%），制备了磷酸盐非晶材料。研究了不同TiO₂含量对材料物理性质、光学性能和辐射屏蔽效率的影响。XRD分析确认了所有样品的非晶态特性。结果表明，随着TiO₂含量的增加（最高至6.0摩尔%），材料的密度、氧原子堆积密度和场强均有所提高，这归因于玻璃网络结构的强化。紫外-可见光谱显示，这些材料在350–400纳米附近具有陡峭的吸收峰，同时具备强烈的紫外线吸收能力，并在可见光到近红外范围内具有高透明度。使用Phy-X/PSD仪器对中子屏蔽性能进行了评估，测量范围为0.015至15 MeV的光子能量。计算得到了包括线性衰减系数（LAC）、质量衰减系数（MAC）、半值层厚度（HVL）、平均自由路径（MFP）、十分之一值层厚度（TVL）和有效原子序数（Zeff）在内的辐射防护参数。实验结果表明，添加TiO₂显著提升了磷酸盐玻璃对伽马辐射的屏蔽效果。与现有的一些屏蔽材料和玻璃体系相比，所制备的玻璃在辐射防护方面展现出巨大的潜力，具有高效、低成本和环保的优势。

引言

在现代社会，工业、农业、军事和医疗领域发展迅速。为这些领域的技术进步提供足够的能源并寻找新的能源来源已成为当务之急。核反应堆是重要的能源生产方式之一。然而，日常生活中的许多应用（如医学、军事科学和矿物开采）会使用各种放射性物质，从而产生核废料和有害辐射。因此，发现和开发新型的、低成本且环保的辐射屏蔽材料变得至关重要（Verma等人，2024年；Hamisu等人，2024年；Al-Buriahi等人，2025年；Alzahrani等人，2022年；Kavun等人，2024a年）。长期以来，混凝土和铅等传统材料被用于辐射屏蔽。然而，这些材料不仅效率逐渐下降，还带来了许多负面环境影响，有时甚至无法满足辐射屏蔽的需求（Verma等人，2024年；Onaizi等人，2024年；Safari等人，2024年）。因此，人们一直在努力寻找新型的辐射屏蔽材料，以克服传统材料的缺点（如重量大、易开裂和环境污染）。薄膜在微电子、航空航天、核工程和光电子等领域的辐射屏蔽应用中越来越受到重视。其有效性取决于成分、厚度、掺杂剂和结构特性，这些因素会影响关键的屏蔽参数（So?uksu等人，2024年，2025年；Unagar等人，2024年）。聚合物的密度较低，比铅或混凝土等传统屏蔽材料轻得多，这一特性在需要减轻重量的应用中尤为宝贵（Duman等人，2025年；Kavun等人，2019年，2024b年，2025a年，2025b年）。磷灰石-硅灰石玻璃陶瓷复合材料在医疗和生物医学领域展现出显著的辐射屏蔽潜力，兼具高辐射衰减能力、机械强度和生物相容性，成为传统屏蔽材料的理想替代品（Alzahrani等人，2024年；Elqahtani等人，2025年）。近年来，玻璃成为大规模辐射防护中最重要的材料之一（Alrowaili等人，2024年；Katubi等人，2024年；Basha等人，2024年）。这归功于玻璃的优异性能、能够满足各种环境辐射防护要求、多样的组成以及低成本（Al-Buriahi等人，2024年；Kurtulus等人，2024年；Yorulmaz等人，2024年；Ulas等人，2025年；Eskalen等人，2025年）。许多玻璃体系被用于制备辐射屏蔽玻璃，包括添加了各种重金属、过渡元素或稀土元素的硅酸盐（SiO₂）、磷酸盐（P₂O₅）、碲氧化物（TeO₂）和硼酸盐（B₂O₃）（Wu等人，2025年；Devaraja等人，2025年；Alrowaily等人，2025年）。作为辐射屏蔽材料的玻璃结构通常含有铅、镉和钡等重元素，因为这些元素与严重的健康问题（如脑部和神经系统损伤以及高血压）密切相关（Agrawal等人，2022年）。此外，这些元素的高毒性可能导致处置时的严重环境灾难（Ohiagu等人，2022年；Alzain，2023年）。为克服这些负面影响，许多研究人员致力于开发不含重元素的玻璃材料，主要使用二氧化硅等安全元素作为基础成分。基于硅酸盐的玻璃体系作为辐射屏蔽材料具有多种优势，如经济性、低毒性、优异的衰减性能、化学和机械耐久性以及高透明度。这些特性使硅酸盐玻璃成为理想的辐射屏蔽材料（Singh等人，2023年；Albarzan等人，2021年；Kaky等人，2024年）。为了提高其机械强度和辐射衰减性能，常在玻璃组成中添加其他金属氧化物。CaO和MgO通过稳定玻璃网络结构、增强机械强度和略微提高密度来改善材料性能（Sayyed等人，2025a）。向非晶材料中添加过渡金属氧化物（TMO）可显著提升其物理、化学和电学性能。由于过渡金属氧化物在固态激光器、电介质材料和光电器件中的多种技术应用，它们具有独特的物理、结构和光学特性（Alsaif等人，2024年；Vinay等人，2025年）。最近，含有多种重金属氧化物（HMOs）的新型玻璃体系在辐射屏蔽领域受到关注。TiO₂因其优异的折射率和透明度而成为研究热点。向玻璃中添加TiO₂还能改善材料的玻璃化程度和可成型性。此外，像TiO₂这样的重金属氧化物因其较高的密度和原子序数而成为伽马辐射屏蔽的理想选择（Ho?g?r等人，2025年；Es-soufi等人，2023年；Kavgaci等人，2025年；Mahmoud等人，2021年）。在实际应用中，辐射屏蔽非晶材料需要既能有效减少电离辐射，又能保持对可见光的高透明度。因此，本研究合成了不同TiO₂含量的磷酸盐玻璃（组成30CaO-(20-X)MgO-XTiO₂-5P₂O₅-45SiO₂，其中X取0和6摩尔%），并对其物理、光学和辐射屏蔽性能进行了分析，旨在为不同技术领域提供新的特性和功能，尤其是有害辐射的衰减能力。

玻璃样品的合成

如表1所示，采用熔融急冷技术成功合成了掺有TiO₂（作为过渡金属氧化物）的钙镁磷酸盐玻璃，其组成为30CaO-(20-X)MgO-XTiO₂-5P₂O₅-45SiO₂（其中X = 0、1、2、4和6摩尔%）。所用的高纯度化学试剂包括碳酸钙（CaCO₃，纯度99.50%，Loba-Chemie）、碳酸镁（MgCO₃）、二氧化钛（TiO₂，纯度99.90%，Alfa Aesar）和磷酸二氢铵（ADP，H₂PO₄）

合成材料的非晶态特性

X射线衍射（XRD）光谱是确定玻璃材料非晶态的基本工具。图2显示了所研究样品的XRD图谱，在2θ = 25°至30°范围内出现了一个凸起，这是非晶材料的特征。这些模糊峰的存在表明材料缺乏长程结构有序性，进一步证实了30CaO–(20-X)MgO–XTiO₂-5P₂O₅-45SiO₂体系（X = 0时）的非晶态特性

结论

本研究探讨了在CaO-MgO-P₂O₅-SiO₂玻璃体系中添加TiO₂以开发低成本和环保的辐射屏蔽材料的效果。TiO₂的加入显著影响了样品的物理、光学和辐射屏蔽性能。与MgO相比，TiO₂提高了材料的密度、分子量、光吸收密度（OPD）和场强，同时降低了摩尔体积，表明形成了更致密的玻璃结构

CRediT作者贡献声明

H.A. Abo-Mosallam：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，方法论设计，概念构思。 Mohamed I. Farouk：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，软件使用，资金申请。 Mostafa I. Abdelglil：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，软件使用，数据分析。 A.G. Darwish：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，方法论设计。

资助

本项工作得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科研处的支持和资助（资助编号：IMSIU-DDRSP2602）

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。