分析晶体尺寸和锰含量对CuFe?-xMnxO?陶瓷微观结构及伽马射线屏蔽性能的影响

《Annals of Nuclear Energy》：Analyzing the effect of crystal size and manganese content on the microstructure and gamma-ray shielding characteristics of CuFe 2-xMnxO 4 ceramic

纳米材料制备；湿化学合成；XRD分析；γ射线屏蔽；晶体结构转变

　　

Fawzy H. Sallam|Mohammad W. Marashdeh|Ahmed M. Abd El-Aziz|Mohamed I. Elkhatib|Haitham Alrajhi|Mahmoud K.A

核材料管理局，邮政信箱530，开罗，埃及

摘要

采用湿化学合成方法制备了纳米级的CuFe_2-xMn_xO₄粉末，其晶粒尺寸介于16纳米至2纳米之间。通过X射线衍射分析和Williamson-Hall尺寸分析对该粉末进行了表征，结果显示：在所有掺锰样品中，从0 wt%锰含量时为四方晶体结构，逐渐转变为立方晶体结构。陶瓷样品是通过粉末压缩和烧结得到的。陶瓷的微观结构通过扫描电子显微镜、EDAX分析和密度测量进行了研究。EDAX分析显示存在少量的Ca、Si和P等杂质元素。研究了该材料在0.03–1.408 MeV能量范围内的γ射线屏蔽性能，结果表明：随着锰含量的增加，线性衰减系数分别在37.549–34.162 cm^?1（0.03 MeV）、0.446–0.423 cm^?1（0.511 MeV）和0.269–0.256 cm^?1（1.408 MeV）范围内降低。线性衰减系数的减小伴随着其他辐射屏蔽性能的降低。

引言

铁氧体纳米材料是一类具有通用化学式AB₂O₄的半导体，其中A位于四面体位置，代表二价过渡金属离子（如Fe⁺²、Cr⁺²、Co⁺²、Cu⁺²、Zn⁺²、Ni⁺²）；B位于八面体位置，代表三价过渡金属离子（如Fe⁺³）（Naik等人，2017年）。铁氧体的结构属于立方尖晶石型，包含32个八面体位点和16个四面体位点（Naik & Tangsali，2017年）。铁氧体具有许多独特的性质，如高饱和磁化强度、高电阻率、低磁滞损耗、高密度以及低电导率，因此被广泛应用于多个领域，例如γ射线屏蔽（Marashdeh等人，2024年）、染料降解（Padmapriya等人，2016年）、湿度和气体传感器（Singh等人，2014年）、生物医学应用（Tanaka等人，2009年）、废水处理（Kumar等人，2014年）、微波吸收材料（Gupta等人，2007年）、用于热疗的磁性磁流体（Sharifi等人，2012年）、催化剂（Mathubala等人，2016年）、靶向药物输送（Pankhurst等人，2003年）、磁共振成像（Sun等人，2008年）、光催化剂（Amir等人，2015年）以及分频器、电力变压器、磁放大器、磁干扰装置、电感器、天线杆和变压器（Hessien等人，2008年；Hu等人，2010年；Keluskar等人，2006年）。

许多铁氧体复合材料被研究作为γ射线屏蔽材料，其计算出的屏蔽参数显示出良好的性能，为进一步测试这些复合材料提供了依据。掺杂了少量氧化钒（0.000%、0.015%、0.030%和0.050%）的铜铁氧体样品表现出不同程度的优异屏蔽能力（Mahmoud等人，2025年）。此外，还采用湿化学方法合成了掺氧化锆的铜铁氧体纳米复合材料，并将其烧结成陶瓷样品，这些样品通过相变表现出多样的结构。原始铁氧体材料及掺锆离子的样品均通过蒙特卡洛模拟程序进行了γ射线照射实验，并计算了其辐射屏蔽系数，结果显示掺锆样品的屏蔽效果更好（Sallam等人，2025年）。

本研究的目的是制备铜铁氧体纳米颗粒，并评估锰过渡金属离子对其晶体结构的影响，同时制备CuFe_2-xMn_xO₄陶瓷样品，并评估其γ射线屏蔽性能。

部分内容摘录

纳米颗粒合成

尽管湿化学法在纳米材料制备过程中存在一些缺点，如需要大量溶剂和表面活性剂、产率低、使用某些有害化学物质、需要复杂的后处理步骤以及容易发生团聚现象，但它仍能生成定制化且结构复杂的纳米材料（包括铁氧体等），并且能够更好地控制最终产品的形状、表面成分和尺寸。此外，该方法被认为是最

XRD分析

图2展示了三种不同锰含量掺杂的铁氧体纳米颗粒的XRD图谱。图中显示了一些峰，根据标准参考数据JCPDS: 00–034-0425（Morris等人，1984年）和JCPDS: 00–020-0358（Jogalekar & Sinha，1967年），这些峰分别对应于0 wt%锰含量的单铜铁氧化物（CuFO）相以及2.0 wt%和3.4 wt%锰含量的铜铁锰氧化物（CuFMnO）相。

结论

本研究通过湿化学合成方法制备了CuFe_2-xMn_xO₄纳米粉末，并将其压缩烧结成陶瓷样品。当锰含量在0至3.4 wt%之间变化时，样品的密度范围为5.32–5.05 g/cm³。通过多种技术确定了样品的结构，X射线衍射图谱显示了CuFe_1.97Mn_0.03O₄和CuFe_1.95Mn_0.05O₄矿物的特征峰。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了伊玛目穆罕默德·本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科学研究部的支持与资助（资助编号：IMSIU-DDRSP2603）。