BiClO–FeCr增强型不饱和聚酯聚合物复合材料的伽马射线屏蔽性能

《Radiation Physics and Chemistry》：Gamma-ray shielding performance of BiClO–FeCr reinforced unsaturated polyester polymer composites

　　

埃达尔·萨格（Erdal Sa?）、费尔迪·阿克曼（Ferdi Akman）、梅雷耶姆·伊尔马兹（Meryem Yilmaz）、穆斯塔法·雷杰普·卡恰尔（Mustafa Recep Ka?al）

土耳其宾格尔大学（Bing?l University），文理学院（Faculty of Arts and Science），物理系（Department of Physics），宾格尔，12000

摘要

在本研究中，为了提高辐射屏蔽性能，制备了掺杂了氧化铋（BiClO）和铁铬（FeCr）的不饱和聚酯聚合物，并对其伽马辐射屏蔽性能进行了研究。这是首次尝试通过结合选定的BiOCl和FeCr材料来优化这种三元复合材料的伽马射线屏蔽性能。这些三元复合材料使用不饱和聚酯树脂作为粘合剂，BiOCl/FeCr作为填充材料制成。聚合物基体由不饱和聚酯树脂、辛酸钴（6%）（Co-6）和甲基乙基酮过氧化物（MEKP）制备而成，然后按一定比例加入填充材料。为了研究制备的复合材料的伽马辐射衰减性能，测定了辐射防护效率（RPE）、辐射传输因子（TF）、质量密度比（μ/ρ）和线性衰减系数（μ）、半值层（HVL）和十分值层（TVL）、平均自由路径（MFP）以及有效原子序数（Z_eff）等参数。实验使用HPGe探测器，在276.4?keV至1332.5?keV的光子能量范围内，对来自Na-22、Co-60、Ba-133和Cs-137等放射性点源的光子进行了测量。实验结果与使用WinXCOM计算的理论结果进行了对比。随着BiClO含量的增加，伽马辐射屏蔽能力得到提升，结果表明代码为FeCrBi50的聚合物复合材料是更好的辐射屏蔽材料。

引言

辐射是指在空间或任何环境中传递能量的波或粒子的发射。无线电波、微波、α或β粒子、中子、其他带电粒子以及高能光子（X射线或伽马射线）都是辐射的例子。空气中的氡、食物和水中的钾，以及地壳中的铀、钍和镭都是天然的辐射源。根据辐射能否从原子或分子中移除电子，辐射可分为电离辐射和非电离辐射。能量高于电子与原子结合能的辐射能够将电子从原子中剥离，这种辐射属于电离辐射。电离辐射的例子包括伽马射线、X射线、β射线和中子射线。电离辐射可以改变物质的化学结构。如果生物体暴露在电离辐射下，可能会对其健康造成损害（Alizadeh等人，2015年）。非电离辐射则不能从原子中移除电子，但会导致电子振动并使温度升高（Lahir，2023年）。可见光和无线电波属于这种形式的辐射。

如今，辐射的应用日益增多，但它对人类健康和生态系统有负面影响。生物体组织吸收电离辐射会导致细胞结构发生变化。高剂量的电离辐射可能导致皮肤灼伤、脱发、内出血、贫血和免疫系统减弱（Ojha等人，2022年）。长期暴露还可能引发癌症。电离辐射还可能导致数字电路中的比特翻转或模拟电路中的电压升高和漏电流（Manzi和Muazu，2022年）。因此，需要保护生物体和电子电路免受电离辐射的侵害。目前，由于价格低廉，铅板和混凝土被广泛用于电离辐射防护。相比混凝土，铅具有更高的密度、更强的辐射衰减能力、耐腐蚀性和更好的加工性（Rezaei-Ochbelagh和Azimkhani，2012年）。然而，这两种传统的辐射屏蔽材料也有许多缺点。铅的最大缺点是对人体健康的负面影响。在尝试防护辐射的过程中，铅会对健康造成化学风险，例如铅中毒可通过接触、摄入或吸入发生。铅暴露会导致儿童生长发育迟缓，以及所有生物体的大脑和神经系统受损（Caito和Aschner，2017年）。鉴于铅和混凝土的这些缺点，人们开始寻找替代材料。目前，复合材料在寻找替代材料方面备受关注（Oraby等人，2025年；Erdogan等人，2025年；Yan等人，2025年；Ghule等人，2025年；Kudrevi?ius等人，2025年；Mokhtari等人，2025年；Huo等人，2025年；Kavun等人，2025年；Erkoyuncu等人，2025年；Chen等人，2025年；Kavun等人，2026年；?irin等人，2026年；O?ul等人，2023年；Okda等人，2026年；El-Sayed等人，2026年；Kim，2026年；Alsalmi和Alraddadi，2026年；El等人，2026年；Paul等人，2026年；?a?lar，2026年）。除了复合材料外，玻璃（Rao等人，2022年；Guntu，2022年；Chand等人，2021年）、合金（Abdulazeez和Sheekhoo，2025年；Erkoyuncu，2025年；Wróbel等人，2026年）和陶瓷（Jindal等人，2026年；Alnami等人，2026年；Mahdi等人，2026年；Vinothkumar等人，2026年）也被研究作为传统辐射屏蔽材料的替代品。

复合材料是由至少两种具有不同物理或化学特性的材料组合而成的（Mahir等人，2019年）。在组合材料时，会确保每种特性都能为复合材料的性能做出贡献。例如，可以创造出具有特定功能的复合材料，如更坚固、更轻便、耐电、耐热和耐腐蚀。通过复合材料的制备，可以改善材料的基本性能。根据应用领域，复合材料具有许多优点，如低成本、设计灵活性、耐多种化学物质、重量轻、耐用性、电绝缘性和抗压强度。复合材料广泛应用于航空、航天、汽车、建筑、电气和海洋等领域（Bukvi?等人，2025年）。近年来，辐射屏蔽领域也得到了广泛研究（Yan等人，2025年；Mokhtari等人，2025年；Kavun等人，2026年；?irin等人，2026年；O?ul等人，2023年；Okda等人，2026年；El-Sayed等人，2026年）。

本研究探讨了具有潜在电离辐射屏蔽性能的三元复合材料。与二元复合材料相比，三元复合材料在伽马辐射屏蔽方面的研究较少。本研究调查了文献中报道的三元复合材料的伽马屏蔽能力，发现其屏蔽效果较为有限。为此，使用不饱和聚酯作为粘合剂，FeCr和BiOCl作为填充材料制备了多种三元复合材料。选择这两种材料是因为BiOCl的高原子序数和FeCr的高密度，以及将它们结合成复合材料并研究其伽马射线屏蔽性能的潜力是一个研究空白。利用HPGe探测器和WinXCOM（Gerward等人，2001年）对276.4?keV-1332.5?keV能量范围内的复合材料的伽马辐射屏蔽性能进行了实验研究，并获得了理论数据。复合材料的RPE和TF参数通过实验获得，而μ/ρ、μ、HVL、TVL、MFP和Z_eff参数则通过实验和理论计算得出。

章节摘录

复合材料的制备

复合材料的制备分为两个步骤。第一步是制备聚合物基体，使用了辛酸钴（6%）（CoC₁₆H₃₀O₄，ρ?=?0.885?g/cm³）、不饱和聚酯树脂（C₁₆O₇H₁₄，UPR ρ?=?1.113?g/cm³）和甲基乙基酮过氧化物（C₈O₆H₁₈，MEKP，ρ?=?1.170?g/cm^{3）。Co-6作为催化剂，MEKP作为反应引发剂，UPR作为粘合剂。MEKP和Co-6的使用量分别为UPR重量的0.2%和1%。}

结果与讨论

为了研究掺杂了BiClO和/或FeCr的三元复合材料的伽马辐射衰减特性，本研究评估了RPE、TF、μ/ρ、μ、HVL、TVL、MFP和Z_eff参数。实验使用HPGe探测器，在276.4?keV至1332.5?keV的能量范围内，对来自Na-22、Co-60、Ba-133和Cs-137等放射性源的光子进行了测量。将每种复合材料的理论和实验结果进行了比较。

结论

本研究探讨了通过不同比例替换两种高原子序数和高密度材料对复合材料伽马射线屏蔽能力的影响。利用RPE、TF、μ/ρ、μ、HVL、TVL、MFP和Z_eff参数，研究了使用聚酯/BiClO/FeCr制备的复合材料的伽马射线屏蔽能力。这是首次对这些复合材料的伽马射线屏蔽能力进行的研究，有助于进一步了解其性能。

CRediT作者贡献声明

埃达尔·萨格（Erdal Sa?）： 数据整理、形式分析、研究方法、验证、初稿撰写、审稿与编辑。费尔迪·阿克曼（Ferdi Akman）： 构思、形式分析、项目管理、监督、审稿与编辑。梅雷耶姆·伊尔马兹（Meryem Yilmaz）： 研究、初稿撰写、审稿与编辑。穆斯塔法·雷杰普·卡恰尔（Mustafa Recep Ka?al）： 研究方法、资源准备。

利益冲突声明

作者声明他们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。