铅铋硼酸盐玻璃的结构性能、机械性能和辐射屏蔽性能

《Physica B: Condensed Matter》：Structural, mechanical and radiation shielding properties of lead-bismuth borate glasses

　　

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  制备了铅-铋硼酸盐玻璃，并对其结构和力学性能进行了研究。
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  使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析了结构变化。
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  力学行为与玻璃网络中的成分变化相关联。
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  添加Bi₂O₃后观察到辐射屏蔽性能的提升
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  这些玻璃是环境友好型屏蔽材料的有前景候选者。

引言

硼酸盐玻璃的结构因其技术重要性而具有重要的研究意义[1]、[2]。理解玻璃结构能够定制玻璃性能，从而满足所需的应用需求。硼酸盐玻璃以其与硅酸盐玻璃相比更低的熔化温度而闻名[3]。将重金属氧化物如氧化铅（PbO）和氧化铋（Bi₂O₃）引入硼酸盐玻璃网络中可以增强玻璃性能，因为这些修饰剂不仅影响硼酸盐的三角和四面体单元，还形成自身的结构单元，如[PbO₆]、[BiO₃]和[BiO₆]，从而影响硼酸盐网络的连接性和极化率[4]。用高Z元素改性的硼酸盐玻璃被认为是制备具有高原子数衰减值和优良力学性能的辐射屏蔽材料的有前景的途径[5]、[6]、[7]、[8]。氧化铅已被广泛用于玻璃体系中以提高伽马射线衰减[7]、[8]、[9]、[10]。然而，PbO的毒性和环境担忧促使人们对低铅和无铅屏蔽玻璃的兴趣日益增加[11]、[12]。据报道，几种含铋硼酸盐体系具有优良的屏蔽特性[10]、[13]。通过改变玻璃成分并引入高Z元素/氧化物，可以实现硼酸盐网络连接性的平衡，这对于硬度和抗辐射损伤性能至关重要，而后者对于降低电离辐射的穿透深度是关键因素。这种双修饰剂方法因此产生了一系列满足医学成像窗口、核设施观察口和先进防护屏蔽层高要求的玻璃，同时保持了玻璃作为多功能屏蔽材料的易加工性[14]、[15]、[16]、[17]。

本研究旨在调查70B₂O₃–(30–x)PbO–xBi₂O₃玻璃体系的结构，并将Bi₂O₃诱导的结构变化与这些玻璃的力学性能相关联。此外，评估用Bi₂O₃逐步替代PbO对理论辐射屏蔽参数的影响。所研究的玻璃以无铋玻璃样品（成分为70B₂O₃ – 30PbO）开始，然后是减铅成分（70B₂O₃ – 20PbO – 10Bi₂O₃ 和 70B₂O₃ – 10PbO – 20Bi₂O₃），最后以完全无铅玻璃样品（成分为70B₂O₃–30Bi₂O₃）结束，以系统评估Bi₂O₃作为PbO在辐射屏蔽玻璃体系中替代物的潜力。

章节摘要

实验

使用熔铸法制备了化学式为70B₂O₃–(30–x)PbO–xBi₂O₃（其中x=0、10、20和30 mol%）的玻璃。使用的高纯度原料包括硼酸H₃BO₃（99.9%，Aldrich）、氧化铅PbO（99.9%，Alfa Aesar）和氧化铋Bi₂O₃（99.5+%，Alfa Aesar）。样品标记为BPb30Bi0、BPb20Bi10、BPb10Bi20和BPb0Bi30。每种成分制备了一个独立的10克批次，原料被充分混合直到形成均匀的粉末

X射线衍射测量

进行XRD测量以评估BPbBi玻璃样品的结构特性。如图1所示，衍射图谱显示出宽泛的弥散晕圈，没有表现出任何尖锐或明确的晶体峰，表明其为非晶态玻璃网络。

物理性质

图2表示所制备玻璃的密度（ρ）和摩尔体积（V_m）。密度和摩尔体积均随Bi₂O₃含量的增加而增加。玻璃密度随Bi₂O₃添加而增加与

结论

系统地研究了70B₂O₃–(30–x)PbO–xBi₂O₃玻璃体系的结构、力学和辐射屏蔽性能。结构分析揭示了硼酸盐玻璃网络中依赖于成分的变化。在低Bi₂O₃含量下观察到半定量计算的N₄初始增加，这反映了硼酸盐BO₃向BO₄单元的转变。随着Bi₂O₃含量的增加$$，观察到计算的N₄下降，这可能反映了

CRediT作者贡献声明

H. Elkholy：撰写 – 原稿、方法论、调查、正式分析、概念化。R. Alotaibi：撰写 – 审阅与编辑、调查。W. Elsharkawy：撰写 – 审阅与编辑、调查。H. Othman：撰写 – 审阅与编辑、调查、概念化

利益冲突声明

? 作者声明不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢沙特阿卜杜勒阿齐兹亲王大学通过项目编号（PSAU/ 2025/01/33213）对本研究工作进行资助

H. Elkholy|R. Alotaibi|W. Elsharkawy|H. Othman