TiO2改性的无铅硼酸盐玻璃：一种兼具光子防护和辐射屏蔽功能的双重用途平台

《Ceramics》：TiO2-Engineered Lead-Free Borate Glasses: A Dual-Functional Platform for Photonic and Radiation Shielding Technologies

TiO?掺杂硼酸盐玻璃的研究表明，TiO?浓度（0-15 mol%）显著提升玻璃密度（4.95→5.61 g/cm3）、折射率（6.047→8.776）及机械强度（弹性模量84.61→97.58 GPa），并通过FTIR证实BO?→BO?结构转变优化网络。辐射屏蔽测试显示，T15样品MAC（72.41 cm2/g）、LAC（406.23 cm?1）和Z_eff值最高，HVL（2.25 cm）和MFP（最短）最优，其γ射线屏蔽性能优于商用混凝土和铅玻璃，且FNRCS值高于水等传统材料，适用于光学器件和辐射防护。

　　
### 研究背景与目的
随着核能、医疗和工业技术的快速发展，对辐射防护和光学材料的需求日益增长。传统铅基屏蔽材料存在毒性高、重量大、化学不稳定等问题，而硼酸盐玻璃因其非毒性、高透明度和易加工性，成为替代材料的重要研究方向。本研究以钛酸钡（TiO?）为掺杂剂，系统考察了其在BaO-Al?O?-WO?-Bi?O?-B?O?硼酸盐玻璃中引入后对材料结构、光学性能及辐射屏蔽能力的综合影响，旨在开发兼具环保性和高效辐射防护特性的新型玻璃材料。

### 材料与方法
制备了 compositions varying from 0 mol% to 15 mol% TiO?的复合硼酸盐玻璃，采用熔融淬火法。具体步骤包括：原料球磨混合（30-40分钟）→ 1200℃熔融（1小时）→ 淬火成型的玻璃样品→ 440℃退火（4-5小时）消除内应力。通过X射线衍射（XRD）分析玻璃的晶体结构，红外光谱（FTIR）解析网络结构变化，紫外-可见光谱（UV-Vis）测定光学吸收特性，并借助Phy-X/PSD软件计算辐射屏蔽参数。弹性性能通过泊松比、杨氏模量等指标评估。

### 关键研究结果
#### 1. **结构与物理性能优化**
- **密度与摩尔体积**：随着TiO?含量增加，玻璃密度从4.95 g/cm3增至5.61 g/cm3，摩尔体积（V?）从33.54 cm3/mol降至28.34 cm3/mol。这表明TiO?的引入增强了原子堆积密度，形成更致密的网络结构。
- **键合与网络结构**：FTIR分析显示，BO?→BO?单元比例随TiO?含量增加而上升（T0：3.2% BO?；T15：7.8% BO?），表明Ti2?与氧形成强键（Ti-O键），取代部分B-O键，提升网络刚性。
- **弹性性能**：杨氏模量（E）从84.61 GPa增至97.58 GPa，剪切模量（G）从33.06 GPa增至37.38 GPa，泊松比（σ）从0.28增至0.305，显示材料硬度（维氏硬度达945.53 kg/mm2）和抗变形能力显著提升。

#### 2. **光学性能增强**
- **紫外截止波长红移**：TiO?掺杂使吸收边从428 nm扩展至636 nm，表明材料对紫外光的屏蔽能力增强。
- **折射率与极化率**：折射率（n）从6.05增至8.78，电子极化率（α?）从2.83增至3.13，归因于Ti3?的引入增强了介电响应和非线性光学特性。
- **光学基本性（Λ）**：从1.33增至1.49，显示材料离子化程度提高，更易参与光电相互作用。

#### 3. **辐射屏蔽性能突破**
- **质量衰减系数（MAC）**：在0.015-15 MeV能量范围内，MAC随TiO?含量增加而显著提升（T15 MAC达72.41 cm2/g），优于传统混凝土（如OC MAC为55.61 cm2/g）。
- **线性衰减系数（LAC）**：低能段（0.3 MeV）LAC值达1.56 cm?1（T15），远超铅（1.18 cm?1）和普通混凝土（0.8-1.2 cm?1）。
- **有效原子序数（Z_eff）**：T15的Z_eff（4.32）高于多数岩石（3.2-3.8）和混凝土（3.1-3.5），表明其光电离效率更高。
- **辐射防护参数对比**：T15的等效厚度（HVL）在1.33 MeV时仅为2.25 cm，低于铅（2.5 cm）和商业混凝土（3.0-4.0 cm）。其平均自由程（MFP）在低能段（0.3 MeV）仅为1.56 mfp，优于传统屏蔽材料。

#### 4. **中子屏蔽特性**
- **快中子去除截面（FNRCS）**：T0和T15的FNRCS分别为2.89和3.12 cm?1，显著高于水（0.10 cm?1）和普通混凝土（1.5-2.0 cm?1），表明其对热中子及快中子的吸收能力突出。

### 创新点与潜在应用
- **结构设计**：通过TiO?掺杂实现BO?→BO?转化，形成高密度、低空隙率的网络结构，兼顾机械强度与光学透明度。
- **多场景适用性**：
- **光学领域**：高折射率（n>8）和宽吸收边（至636 nm）使其适用于紫外激光器窗口、非线性光学器件。
- **辐射防护**：低HVL（2.25 cm）和低MFP（1.56 mfp）特性，可替代部分铅基材料用于核废料封装、医疗设备屏蔽层。
- **环境友好性**：全成分无毒，且TiO?的掺入抑制了玻璃的结晶倾向，延长使用寿命。

### 结论
TiO?掺杂显著优化了硼酸盐玻璃的物理、光学及辐射屏蔽性能。其机制在于：
1. **结构致密化**：TiO?替代B?O?形成更稳定的Ti-O键，减少空隙，提升机械强度（杨氏模量提高15%）和光学均匀性。
2. **光电离增强**：高Z_eff（4.32）和极化率（α?=3.13 ?3）促进光子与电子相互作用，实现宽光谱吸收（UV至可见光）。
3. **多机制协同屏蔽**：低能段（<0.5 MeV）以光电效应为主，高能段（>5 MeV）依赖对撞和复合过程，综合MAC和LAC值均优于商业混凝土及铅基材料。

该研究为开发低成本、轻量化、环境友好的复合辐射屏蔽与光学材料提供了新范式，尤其在核能设施、医疗成像设备及航天器防护领域具有广阔应用前景。后续工作可聚焦于大规模制备工艺优化及实际场景的长期稳定性评估。

### 补充说明
本研究通过多维度表征（XRD、FTIR、Phy-X仿真）和参数对比（MAC/LAC/Z_eff），系统验证了TiO?掺杂对硼酸盐玻璃性能的调控作用。实验数据表明，当TiO?含量达15 mol%时，材料在0.662 MeV能量下屏蔽效能达到最优（MAC=72.41 cm2/g，HVL=2.25 cm），兼具优异的机械性能（维氏硬度>900 kg/mm2）和光学性能（折射率>8.7），符合先进辐射屏蔽与光电子器件对材料的多重需求。