不同SiC增强比例下，回收的多氧化物基废玻璃陶瓷的结构性能及其对辐射的衰减能力

《Annals of Nuclear Energy》：The structural and radiation attenuation potential of the recycled multi oxide-based waste glass ceramics depending on different SiC reinforcement ratios

废玻璃粉通过添加5-20% SiC制备复合材料，研究其结构、机械性能及辐射屏蔽效果。实验表明5% SiC最优，提升材料强度和辐射衰减性能，实现工业废料高值化利用。

　　

埃尔汉·易卜拉希莫格鲁（Erhan ?brahimo?lu）

土耳其萨卡里亚应用科学大学技术学院冶金与材料工程系

摘要

本研究回收了用于珐琅涂层的废玻璃粉，并添加了不同比例（5%、10%、15%和20%重量比）的碳化硅（SiC），制备了玻璃-陶瓷复合材料。虽然回收废玻璃对环境可持续性具有重要意义，但本文详细研究了SiC添加剂对材料结构、力学性能和辐射衰减特性的影响。此外，利用扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）方法对制备样品进行了形态和元素分析，根据阿基米德原理测定了密度，并研究了硬度和抗压强度等力学性能。结果表明，5%重量比的SiC添加剂增强了材料的结构完整性，提高了力学性能，并显著改善了其辐射衰减性能。本研究提出了一种将废玻璃粉转化为高附加值复合材料的环保且可行的方法。

引言

在核能技术、国防工业、光电子系统和环境材料回收等多学科领域，功能性陶瓷复合材料的制备日益重要（Silva等人，2017年；Singh等人，2021年）。这些材料的优异性能包括热稳定性和化学稳定性、辐射衰减能力、光学特性以及环境可持续性（Khater等人，2012年；Fu等人，2020年）。在这方面，含有高浓度氧化物（如ZrO₂、B₂O₃和SiO₂）的玻璃或陶瓷系统因其高密度和原子序数特性而具有出色的辐射屏蔽能力和化学稳定性（K?rkb?nar，2026年；Hong等人，2003年）。此外，这些陶瓷系统的工业废弃物版本富含有用成分，具有很高的回收价值。

本研究中使用的玻璃基体含有Si、Zr和B等元素，属于工业珐琅生产过程中产生的玻璃废弃物。这类废弃物通常为非晶态或半晶态，通常未被利用而直接丢弃。然而，这些成分在辐射屏蔽方面具有很高的价值，尤其是核领域，可以重新加工为二次原料（Al-Buriahi等人，2025a；Alrowaili等人，2023a）。

然而，这类非晶态或低密度废弃物在结构强度、中子屏蔽稳定性和长期辐射稳定性方面存在不足（Alsaiari等人，2025年）。为克服这些缺点，本研究选择碳化硅（SiC）作为陶瓷基体的增强相（Huang等人，2023年；Bansal，1997年）。SiC是一种先进的陶瓷材料，具有高硬度（约25–30 GPa）、化学惰性、低中子截面以及在辐射环境中的尺寸稳定性，广泛应用于聚变反应堆和第四代裂变反应堆中的燃料棒包壳材料、结构载体、光学窗口和辐射屏蔽涂层（Katoh等人，2014年；Noda，2019年）。

另一方面，ZrO₂凭借其高原子序数（Zr = 40）和密度（约5.9 g/cm³），通过光电吸收和康普顿散射有效衰减伽马射线（K?rkb?nar，2026年）。此外，SiC的增强作用还能通过弹性散射降低快中子的能量，提高材料在辐射下的稳定性（Noda，2019年）。这种功能梯度结构可以实现更平衡的伽马射线和中子辐射屏蔽效果。

以往的研究缺乏关于SiC增强复合材料对伽马射线或其他类型辐射的特定和定量屏蔽参数（MAC、LAC、HVL、MFP）的直接数据或评论。不过，关于SiC在辐射应用中的评估主要集中在材料的耐辐射性能及其低活化特性上。本研究旨在将工业珐琅废弃物回收为高价值的玻璃陶瓷，用于先进工程应用。为此，选用了主要含有Zr-B-Si氧化物的珐琅涂层废玻璃粉，并研究了在不同SiC添加比例下其再利用潜力。详细分析了这种SiC增强复合材料的物理性能、形态特征，尤其是其辐射屏蔽能力。这不仅实现了废弃物的转化，还制备出了适用于医疗和核领域的多功能陶瓷复合材料。

样本制备

样品制备

本研究评估了广泛用于珐琅涂层的废玻璃粉，其中包含ZrO₂-B₂O₃-SiO₂-CaO-Al₂O₃-ZnO-Fe₂O₃-Na₂O-K₂O氧化物。通过粉末冶金（P/M）方法对这些玻璃进行了回收和掺杂处理，SiC的添加比例分别为5%、10%、15%和20%（重量比）。首先，将废玻璃在3000转/分钟的转速下振动研磨20分钟，以获得均匀的粒径分布。

SEM-EDS结果

通过SEM-EDS分析研究了SiC颗粒对微观结构的影响。图2展示了500倍放大倍数下SiC颗粒在微观结构中的分布情况，图3进一步利用1000倍和3000倍放大倍数详细分析了20% SiC掺杂样品的微观结构变化。此外，通过EDS能谱分析确定了元素分布，点EDS分析提供了有力证据。

结论

本研究成功证明了通过添加SiC将工业废弃物玻璃粉转化为高性能玻璃陶瓷复合材料的可行性。对样品的结构、力学性能和辐射衰减特性的综合分析表明，这些材料在环境可持续性方面具有重要意义。实验结果表明，SiC的增强作用显著改善了材料的微观结构和力学性能。

利益冲突声明

作者声明：本人不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者贡献：作者参与了本文的所有研究阶段。 伦理审查：不适用。