用于X射线屏蔽应用的无铅环氧树脂复合材料的性能表征（该复合材料采用高密度填料进行增强）

《Radiation Physics and Chemistry》：Characterization of lead-free epoxy resin composites reinforced with high-density fillers for X-Ray shielding applications

本研究提出以环氧树脂为基体、高密度填料（Fe?O?、CuSO?·5H?O、Al?O?）为增强剂的复合材料，通过蒙特卡洛模拟和理论计算评估其X射线屏蔽性能。结果显示，C1（Fe?O?）在15-150 keV范围内具有最优衰减系数和最薄半值层（0.633 cm），显著优于传统混凝土屏蔽层（1.979 cm），为医疗放射室轻量化、安全屏蔽材料提供新方案。

　　

H. Sekkat|A. Khallouqi|A. Halimi|O. El Rhazouani

摩洛哥塞塔特哈桑第一大学健康科学高等研究院生物医学科学与工程系、生物物理学与健康实验室，26000

摘要

放射室的天花板在工程设计上面临独特挑战，需要材料同时具备轻质结构特性和有效的辐射屏蔽性能。在本研究中，我们提出并评估了一种新型环氧树脂基复合材料，该复合材料采用高密度填料作为无铅射线衰减材料。我们定义了三种不同的配方（填料含量分别为90 wt%、10 wt%的环氧树脂）：C1（环氧树脂+Fe₂O₃）、C2（环氧树脂+CuSO₄）和C3（环氧树脂+Al₂O₃）。通过蒙特卡洛模拟（GATE/Geant4）和理论计算（Phy-X/PSD）对其屏蔽性能进行了全面评估。研究结果表明，在15–150 keV的光子能量范围内，所有配方的质量衰减系数（MAC）均随光子能量的增加而减小。其中，C1的性能始终最为优异：在15 keV时，C1的MAC为36.704 cm²/g，而C2为30.268 cm²/g，C3仅为4.825 cm²/g。这突显了填料类型和密度对衰减效率的影响。模拟结果（GATE）与理论结果（Phy-X/PSD）之间的偏差保持在0.5%以内，证实了模型的可靠性。半值层（HVL）分析进一步证明了C1的有效性，其在120 keV时的HVL仅为0.633 cm，远低于常用混凝土的约1.979 cm，表明其单位厚度下的衰减能力更强。这种性能使得在保持材料厚度较低的情况下实现高效辐射屏蔽成为可能。总体而言，本研究证实了填充有Fe₂O₃的环氧复合材料（C1）在所测试的配方中具有最佳的衰减性能，同时兼具轻质特性和高屏蔽效率。这些发现为该材料的实际应用提供了前期验证，并表明C1是进一步开发的有希望的候选材料。

引言

放射成像技术如X射线、计算机断层扫描（CT）和荧光透视在现代医学中不可或缺，但不可避免地会使患者和医护人员暴露于电离辐射下。因此，有效的屏蔽措施对于减少杂散辐射和散射辐射至关重要。传统上，由于其高密度和优异的衰减性能，铅一直是首选材料。然而，铅的毒性、重量以及处理问题迫切需要更安全、更轻便且环保的替代品（El Mansouri等人，2024年；Madkouri等人，2025年；Sekkat等人，2025年、2024年；Tahiri等人，2024年）。

环氧树脂是一种热固性聚合物，因其优异的粘附性、化学耐受性和机械稳定性而被广泛应用于结构和防护领域（Jin等人，2015年）。当与高密度填料结合时，环氧树脂可作为开发轻质且高效复合辐射屏蔽材料的理想基体。尽管已有研究探索了多种环氧树脂-填料体系（Alqahtani等人，2022年；An等人，2022年；El-Mallawany和Sayyed，2018年；Kumar等人，2019年；Mariselvam和Liu，2021年；Mhareb等人，2024年），但在以下方面仍存在关键知识空白：（i）如何优化填料含量以实现最大衰减效果；（ii）蒙特卡洛模拟与理论模型之间的系统交叉验证；（iii）针对放射室结构的实际应用设计。

最新研究表明，聚合物-填料复合材料在辐射屏蔽方面具有潜力，但大多数研究要么关注低填料含量，要么未明确解决建筑集成问题。此外，很少有研究对蒙特卡洛模拟和理论模型进行交叉验证，而这对于确保实验制造的可靠性至关重要（Abdellaoui等人，2019年；Xu等人，2024年）。这些空白凸显了对专门为放射设施设计的高填料含量环氧复合材料的深入研究的必要性。开发适用于此类用途的无铅复合材料将直接支持国际上替换医疗设施中有害屏蔽材料的努力。

本研究通过研究填充有Fe₂O₃、CuSO₄和Al₂O₃填料的环氧树脂复合材料来满足这些需求。利用蒙特卡洛模拟（GATE/Geant4）和理论计算（Phy-X/PSD），我们在15–150 keV的诊断辐射范围内评估了一整套屏蔽参数。通过设定高填料含量并将分析置于临床应用背景中，本研究为这些有前景的无铅屏蔽材料提供了详细的预制评估。

材料与方法

所使用的环氧树脂基体为双酚A的二缩水甘油醚（DGEBA，C₂₁H₂₄O₄），其环氧当量为182–192 g/eq。为了评估轻质无铅屏蔽材料的潜力，我们为Phy-X和蒙特卡洛（GATE/Geant4）模拟准备了三种理论配方。每种配方包含90 wt%的高密度填料和10 wt%的环氧树脂。所选填料分别为氧化铁（Fe₂O₃）和五水合硫酸铜（CuSO₄·5H₂）。

结果与讨论

在辐射剂量学中，总质量衰减系数（μ/ρ）是表征X射线和伽马射线光子与物质相互作用的关键参数。在15至150 keV的光子能量范围内，这些光子主要通过光电效应、康普顿散射和瑞利散射与物质相互作用。因此，总质量衰减系数成为衡量这些相互作用程度的关键指标。

结论

本研究评估了填充有Fe₂O₃（C1）、CuSO₄（C2）和Al₂O₃（C3）的新型环氧树脂基复合材料的屏蔽性能，作为放射室天花板的无铅替代材料。通过蒙特卡洛模拟（GATE/Geant4）和理论计算（Phy-X/PSD），我们分析了15–150 keV光子能量范围内的质量衰减系数（MAC）、半值层（HVL）和线性衰减系数。结果表明，C1在各项性能指标上均表现出色。

CRediT作者贡献声明

Hamza Sekkat：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、方法论设计、数据分析、概念构建。Abdellah Khallouqi：数据可视化、结果验证、监督工作、概念构思。Abdellah Halimi：数据可视化、结果验证。Omar El Rhazouani：项目监督、资源协调。

伦理批准

本研究未涉及需要研究伦理委员会批准的活动。

利益冲突声明

我声明在本文所述研究中不存在任何直接或间接的金钱利益或其他个人利益冲突。

资助情况

无。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢国家科学技术研究中心（CNRST）在“PhD-ASsociate Scholarship – PASS”项目中的支持。这种宝贵支持对顺利完成本研究具有重要意义。