P2O5替代的硼磷酸盐玻璃的结构性能、光学性能、机械性能以及抗伽马射线性能

《Applied Radiation and Isotopes》：Structural, Optical, Mechanical, and Gamma-Ray Shielding Performance of P2O5-Substituted Borophosphate Glasses

为了系统研究P?O?取代B?O?对SrO–CaO–Na?O改性硼磷酸玻璃系统机械稳定性、光学性能及辐射屏蔽性能的综合影响，采用XRD、FTIR、UV-Vis及Phy-X程序分析。结果表明：所有样品均为非晶态结构，FTIR证实硼氧与磷氧官能团重叠，带隙Eg从3.828 eV增至4.109 eV，杨氏模量提升至65.574 GPa，线性衰减系数（0.280 MeV）随P?O?比例增加由0.272增至0.333 cm?1，验证了P?O?取代B?O?对机械性能、结构紧凑性和辐射屏蔽的协同优化作用。

　　

Muna Alqahtani|Nouf Alshwaira|Nada Abdulqader Alohali|N. Alonizan|Hana Almarri|Nidal Dwaikat|M.I. Sayyed|M.H.A. Mhareb

沙特阿拉伯伊玛目阿卜杜勒拉赫曼·本·费萨尔大学科学学院物理系，邮政信箱1982，达曼，31441

摘要

本研究的目的是系统地探讨在SrO–CaO–Na₂O改性的硼磷酸盐玻璃体系中，用P₂O₅替代B₂O₃的作用，以及这种替代对玻璃的机械稳定性、光学性能和辐射屏蔽性能的综合影响。采用X射线衍射和傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术来分析玻璃的结构，利用紫外-可见光谱技术测定其光学性质，并通过Phy-X程序研究其辐射屏蔽性能。X射线衍射结果显示所有样品均为非晶态。傅里叶变换红外光谱证实了硼氧化物和磷氧化物功能团的存在。此外，带隙（E_g）的测量表明，添加P₂O₅后带隙从3.828±0.030 eV增加到4.109±0.038 eV。机械性能也随着P₂O₅含量的增加而改善，例如杨氏模量从61.128±0.228 GPa提高至65.574±0.230 GPa。实验测得的辐射屏蔽性能与理论结果相符，且随着磷氧化物的添加，辐射屏蔽效果有所增强。例如，在0.280 MeV下的线性衰减系数（LAC）从0.272±0.094 cm^-1增加到0.333±0.045 cm^-1。综上所述，用P₂O₅替代B₂O₃显著提升了玻璃的机械性能、结构稳定性和辐射屏蔽能力，使其适用于辐射屏蔽应用。

引言

过去10年来，研究人员不懈努力开发有效的屏蔽材料，以保护环境和人类免受X射线和伽马射线等电离辐射的危害[1, 2, 3]。这些人工产生或由放射性源释放的辐射具有致癌风险[4, 5]。传统上，铅、陶瓷、玻璃、混凝土和合金等材料被用于辐射屏蔽[6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]。尽管这些材料价格低廉且易于加工成所需形状，但它们存在一些缺点：例如，混凝土需要占用大量空间且不透明；长期暴露于辐射下会降低密度并增加开裂风险[7]；含铅化合物对人体和环境健康有害[17, 18]。这些缺点促使研究人员寻找更适合各种工作场所的新材料。

透明屏蔽材料（如特殊玻璃）比传统混凝土和含铅化合物更优。某些玻璃材料可用于制造X射线室门窗，便于进行放射学观察。研究表明，玻璃是最佳的辐射防护材料之一[19, 20, 21, 22, 23]。多种玻璃成分（如硅酸盐、碲酸盐、硼酸盐、磷酸盐和锗酸盐）因其优异的屏蔽性能而被广泛研究[19, 20, 21, 22, 23]。尽管硼酸盐玻璃具有吸湿性，但其高透明度、低熔点、热稳定性、易于加工、价格合理以及可掺杂多种元素等优点使其成为理想的屏蔽材料[24]。为改善这一缺点，研究人员尝试通过添加轻元素（如镁、钠和锂）和重元素（如铋、铅、锌和钡）来降低其吸湿性[24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33]。这些改进使硼酸盐玻璃成为多种应用中的首选材料[34]。磷酸盐玻璃则具有低熔点、较高的热膨胀系数、较小的光学色散和较低的玻璃转变温度，同时能掺杂多种碱金属和过渡金属化合物[35, 36]。P₂O₅与B₂O₃的结合形成了硼磷酸盐玻璃，这种新型玻璃通过形成共价P-O-B或B-O-P键提升了化学和机械性能[37]。因此，硼磷酸盐玻璃被应用于可充电电池、超级电容器、光致变色窗户和镜子等领域[38, 39]。由于其能掺杂多种氧化物，硼磷酸盐玻璃还增强了辐射屏蔽效果[40]。添加氧化钠（Na₂O）可改变玻璃的配位结构，从而优化其性能；而添加氧化锶（SrO）可减少结晶现象，提高化学稳定性和热稳定性[43]。CaO因其能显著提升化学稳定性和机械强度而被选中，这些特性对于长期暴露于辐射的材料至关重要。此外，重元素的加入改变了玻璃的密度，进一步增强了其辐射屏蔽性能。

多项研究探讨了硼磷酸盐玻璃的辐射屏蔽效果[38, 44, 45, 46]。例如，Sasirekha等人[44]研究了Eu₂O₃-CdF-ZnF-Li₂O-BaO-P₂O₅-B₂O₃玻璃的核辐射屏蔽效率，证实了其辐射屏蔽效果。Melo等人[45]研究了ZnO对硼磷酸盐玻璃结构和辐射屏蔽性能的影响，发现ZnO的添加增强了材料的结构稳定性和辐射屏蔽性能。Nasser等人[46]探讨了Yb³⁺对铋基硼磷酸盐玻璃的机械、光学和辐射屏蔽性能的影响，发现Yb³⁺的添加提升了这些性能。

在本研究中，制备了不同P₂O₅含量的P₂O₅-B₂O₃-SrO-CaO-Na₂O玻璃，以评估其辐射屏蔽性能。通过多种物理化学方法分析了这些玻璃的光学、结构和物理特性。

样品制备

本研究采用传统熔融-淬火法制备了三种硼磷酸盐玻璃[47]。玻璃的化学组成为：(15+x)P₂O₅–(25-x)B₂O₃–10SrO–25CaO–25Na₂O（其中x = 0, 5, 15 mol%）。按特定摩尔比精确称量并混合了五氧化二磷（P₂O₅）、三氧化二硼（B₂O₃）、氧化锶（SrO）、氧化钙（CaO）和氧化钠（Na₂O）等原料。

玻璃表征

X射线衍射（XRD）是验证玻璃非晶态的可靠方法。图2显示，XRD图谱中20°–35°和38°–45°范围内的两条宽谱带表明样品存在短程有序结构。

图3展示了P₂O₅-B₂O₃-SrO-CaO-Na₂O玻璃的FTIR光谱，表2列出了与新玻璃成分相关的官能团。

结论

本研究探讨了用P₂O₅替代B₂O₃对硼磷酸盐玻璃的结构、光学、机械性能和伽马射线屏蔽性能的影响，这是透明辐射屏蔽材料研究中的一个重要课题。

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  实验结果表明，P₂O₅的替代改善了玻璃结构，使其更加致密且分子间连接更强，表现为堆积密度的增加。
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作者贡献声明

Mohammad Abu Mhareb：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、方法设计、实验设计、数据分析。

Nidal Dwaikat：方法设计、实验设计、数据分析。M.I. Sayyed：初稿撰写、方法设计、实验设计、数据分析。Muna Alqahtani：初稿撰写、方法设计、实验设计、数据分析。Nouf Alshwaira：初稿撰写、方法设计。

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或个人关系。

作者之间不存在需要披露的利益冲突。