碳化硅-氧化铜纳米复合材料改善了聚乙烯醇-聚乙烯吡咯烷酮混合物的光学和辐射屏蔽性能，为其在创新应用中提供了优势

《Inorganic Chemistry Communications》：Silicon carbide?copper oxide nanocomposite tailors the optical and radiation shielding characteristics of polyvinyl alcohol-polyvinyl pyrrolidone blend for innovative applications

本研究通过溶液铸造法制备了SiC-Cu?O纳米复合材料掺杂的PVA-PVP共混物，并利用SEM、FTIR、UV-Vis等技术分析了其形貌、结构和光学性能。结果表明，掺杂显著提高了材料的折射率和介电参数，同时增强了辐射屏蔽性能，如线性衰减系数和平均自由程。该材料在光学和辐射防护领域具有潜在应用价值。

　　

阿里·巴达维（Ali Badawi）| 萨米·S·阿尔哈尔蒂（Sami S. Alharthi）

巴勒斯坦纳布卢斯安-纳贾赫国立大学（An-Najah National University）理学院物理系

摘要

本研究旨在通过引入SiC-Cu₂O纳米复合材料（NC），调整PVA-PVP混合物的光学和辐射防护性能，以应用于创新领域。采用溶液浇铸工艺制备了掺杂SiC-Cu₂O的PVA-PVP薄膜。通过扫描电子显微镜（SEM）、光学显微镜、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、能量色散X射线光谱（EDX）和紫外-可见光谱技术，全面分析了其表面形态、结构变化、化学键合及光学性能。SEM和FT-IR结果表明SiC-Cu₂O纳米颗粒与PVA-PVP基体实现了有效结合。紫外-可见光谱分析显示，由于SiC-Cu₂O的掺杂，PVA-PVP基体的直接（间接）带隙（E_g）降低。此外，SiC-Cu₂O的掺杂显著提高了PVA-PVP基体的折射率（n）和介电参数。辐射屏蔽性能通过Phy-X/PSD软件进行评估，结果显示SiC-Cu₂O纳米颗粒显著提升了所有辐射防护指标，包括线性衰减系数（LAC、MAC）、平均自由路径（MFP）、半衰减层厚度（HVL、TVL）和有效原子序数（Z_eff）。综上所述，本研究结果表明掺杂SiC-Cu₂O的PVA-PVP薄膜在光学和辐射防护领域具有广泛应用潜力。

引言

聚合物复合材料因其在多个学科领域的广泛应用而受到学术界和工业界的关注，涵盖现代生命科学、陶瓷、包装、光电子、交通、娱乐、防护屏蔽和生物医学工程等多个领域[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。复合材料是通过在合适基体中添加少量特定填料制备而成的，从而获得具有特定特性的材料。聚合物因其独特的热学、光学、结构和机械性能而成为这类系统的理想基体材料。此外，聚合物系统具有成本低廉、加工方便等优点，因此在工业和商业应用中备受青睐[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。聚合物复合材料的大规模生产及其低成本进一步拓宽了其应用范围。聚乙烯醇（PVA）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）是特别有吸引力的聚合物，尤其适用于复合材料制备。这两种聚合物具有无毒、水溶性和生物降解性等优良特性[18]、[19]、[20]、[21]。PVA具有宽的光学带隙（5.40 eV[22]）和半结晶结构，使其光学、电学、结构和机械性能可调[23]、[24]、[25]；羟基使其具有较高的极性，能牢固地与多种功能性填料结合[15]、[26]、[27]；而PVP的吡咯烷酮环和羰基使其能与玻璃纤维、陶瓷和电解质良好结合[28]。此外，其在紫外-可见-近红外（UV–Vis-NIR）范围内的独特透光性能及其环保特性使其在多种应用中不可或缺[15]、[28]、[29]。PVA和PVP的二元混合物结合了两种聚合物的优点，形成了具有理想性能的协同效应。例如，El-naggar等人[31]制备了嵌入纳米Sn_0.75M_0.25S₂的PVA-PVP材料用于光学应用；Zyoud等人[32]研究了PVA-PVP的非线性/线性光学特性；Alayed等人[34]发现Cr₂O₃纳米颗粒可提升PVA-PVP的辐射屏蔽性能；在我们之前的研究中，铁/镍氧化物纳米颗粒也被用于改善PVA-PVP的辐射屏蔽性能[2]。

碳化硅纳米颗粒（SiC纳米颗粒）是一种新型纳米填料，适用于多种应用中的聚合物复合材料制备。SiC纳米颗粒具有优异的机械、热学和电学性能[35]、[36]，同时还具有耐腐蚀性和高硬度，因此在核防护、陶瓷和涂层材料中具有广泛应用前景[35]。Al-Azzawi等人[37]制备了用于光电子应用的掺杂SiC的PVA纳米复合材料；Saini研究团队利用SiC纳米颗粒调整了PVA的热学和机械性能，以满足不同领域的需求[38]；Ahmed和Hashim[39]制备了掺杂SiC的PVA-CoO结构，获得了优异的光学和电子性能[39]；Hashim的研究团队通过制备ZrO₂-SiC-PS-PEG聚合物纳米复合材料实现了能源存储应用的目标[35]。

本研究的目的是通过将SiC-Cu₂O纳米复合材料（NC）整合到PVA-PVP基体中，提升其光学和辐射防护性能。据我们所知，尚未有人制备或研究过掺杂SiC-Cu₂O的PVA-PVP二元体系。作为纳米填料的Cu₂O、SiC和SiC-Cu₂O在聚合物中的辐射防护应用仍需进一步探索。Cu₂O具有无毒、环保、低成本等优点[40]，其能带隙为1.2至2.1 eV，适用于LED和太阳能电池等光学器件[41]。因此，SiC-Cu₂O纳米复合材料有望成为PVA-PVP基体的理想填料。选择SiC与Cu₂O的质量比为50:50，以实现两种组分在结构和性能上的平衡。

在本研究中，采用溶液浇铸法制备了不同SiC-Cu₂O含量（x=0、1、3、5、8 wt%）的PVA-PVP复合材料，利用紫外-可见光谱分析其光学特性，通过FT-IR光谱研究结构变化，通过扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜观察表面形态，并使用Phy-X/PSD软件评估光子屏蔽和剂量学性能[42]。先前研究表明，Phy-X/PSD软件的测试结果与实验结果高度一致[43]、[44]、[45]。本研究关于SiC-Cu₂O掺杂PVA-PVP复合材料的光学和辐射防护性能的研究结果在光电子、光学和辐射防护领域具有广泛应用前景。

方法与材料

按照参考文献[2]中的方法制备了掺杂SiC-Cu₂O的PVA-PVP复合材料。PVA（分子量=85,000 g/mol）和PVP（分子量=40,000 g/mol）由Alfa Aesar公司提供；SiC纳米粉末（立方闪锌矿结构，粒径<100 nm；纯度>98%）和Cu₂O（立方结构，空间群Pn-3m）由Sigma-Aldrich公司提供。首先通过物理混合方法制备了SiC-Cu₂O纳米复合材料。

形态分析

所有样品的表面形态均通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）进行了观察。图1（a-f）展示了原始PVA-PVP基体（图1a）的光学显微镜图像，无斑点、团聚物、突起或孔洞；而掺杂后的样品（图1b-e）则出现大量分散的黑色斑点和团聚物。

结论

采用溶液浇铸技术制备了不同SiC-Cu₂O含量（x=0、1、3、5、8 wt%）的PVA-PVP复合材料。光学显微镜和SEM分析表明SiC-Cu₂O纳米颗粒在基体中均匀分布。EDX分析确认了样品中包含C、O、Si和Cu元素。FT-IR结果显示，SiC-Cu₂O的掺杂显著改变了基体的结构和化学键合。

作者贡献声明

阿里·巴达维（Ali Badawi）：负责撰写、审稿与编辑、方法验证、实验设计及概念构建。 萨米·S·阿尔哈尔蒂（Sami S. Alharthi）：负责初稿撰写、软件开发、方法设计、实验实施及数据整理。

资助

作者感谢泰夫大学（Taif University）研究生院和科学研究部的资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系。

致谢

作者感谢泰夫大学研究生院和科学研究部的资助。

阿里·巴达维（Ali Badawi）是巴勒斯坦纳布卢斯安-纳贾赫国立大学理学院物理系的纳米材料科学与可再生能源教授，主要从事聚合物纳米复合材料的合成及其功能性和辐射防护性能（包括实验研究和建模）方面的研究。