溶胶–凝胶合成的钙硼酸盐玻璃与玻璃-陶瓷：CrCl3 掺杂对结构、力学性能与伽马射线屏蔽效率的影响

对抗看不见射线的更强窗体

现代医学与核技术依赖强大的 X 射线与伽马射线束流，但这些射线也对患者、工作人员和设备构成风险。传统屏蔽常采用沉重且有毒的铅或笨重的混凝土。本文探索一种不同路径：设计专用的玻璃与玻璃-陶瓷，既能阻挡有害辐射，又保持透明与良好力学性能，为更安全的观察窗、护屏与防护眼镜提供可能。

设计新型防护玻璃

研究者聚焦于钙硼酸盐玻璃，这类材料以其光学清晰性与化学稳定性著称。他们采用低温溶胶–凝胶法制备玻璃，配方为 55% 氧化钙与 45% 氧化硼，并逐步将部分硼组分以三价铬氯化物（CrCl₃）替代，掺杂量最高达 3 摩尔%。在形成凝胶并干燥成细粉后，材料先在 500 °C 处理，再在 700 °C 热处理以制得玻璃与玻璃-陶瓷形态。通过这种精心的工艺，他们得以观察铬与氯对基体玻璃结构与性能的影响。

从平滑玻璃到坚韧玻璃-陶瓷

为探查内部结构，团队使用了 X 射线衍射与红外光谱。在 500 °C 时样品主要保持非晶态，符合玻璃特征；升温到 700 °C，尤其在添加 CrCl₃ 时，会促使钙硼酸盐微小晶区在玻璃中长出。显微照片显示未掺杂样品表面更为平滑均一，而掺铬样品则出现在基体中嵌入的更锐利、有棱面的颗粒。这些新形成的晶体与硼酸盐网络的改变一同增加了四面体构件的比例，使材料更致密、有序。

紧密堆积原子以增强强度

测量表明，加入 CrCl₃ 使玻璃密度从 2.57 增至 3.11 g/cm³，并使摩尔体积与自由体积缩小，意味着原子以更高效率堆积、空隙减少。利用标准的玻璃弹性理论模型，作者计算出关键力学性能随铬含量显著上升。杨氏模量（刚度的衡量）从约 66 增至 108 GPa，体模量、剪切模量与显微硬度均有显著提升。泊松比数值表明网络高度交联且机械稳定。总体趋势显示，含铬单元与伴随的晶相将结构锁定为更刚性、稳固的框架。

在更薄的屏蔽中阻挡伽马射线

为评估辐射防护性能，团队使用专用软件计算了样品对 0.015 至 15 MeV 光子的相互作用，这覆盖了典型的医学 X 光与伽马射线能区。随铬含量增加，质量与线性衰减系数上升，尤其在以光电吸收为主的低能区更为明显。与此同时，半衰厚度、十分之一厚度与平均自由程均有下降：在 0.04 MeV 处，半衰厚度由未掺杂玻璃的 0.336 cm 降至最高掺杂样品的 0.252 cm。简言之，减半辐射强度所需的材料更少。与专用混凝土及其他硼酸盐玻璃比较，富铬配方在保持玻璃形态与潜在透明性的同时，提供了更高的衰减能力与更薄的所需屏蔽厚度。

迈向无铅透明屏蔽

总体来看，研究表明向钙硼酸盐玻璃中引入适量的氯化铬可同步提高密度、力学强度与伽马射线屏蔽能力。性能最优的配方（3 摩尔% CrCl₃）在结构刚性与屏蔽效果上均优于若干现有的玻璃与混凝土材料。对于非结构承重的阻隔，例如观察窗、保护面板或专用眼镜，这类无铅的玻璃基屏蔽有望成为比传统材料更轻、更安全且更灵活的替代方案。

引用: Alsairy, N., Madshal, M.A. & Althbiti, A. Sol–gel synthesized calcium borate glass and glass–ceramics: effect of CrCl₃ doping on structure, mechanics, and gamma-ray shielding efficiency. Sci Rep 16, 10977 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45812-7

关键词: 辐射屏蔽玻璃, 伽马射线防护, 硼酸盐玻璃, 铬掺杂, 玻璃陶瓷