添加高Z值纳米-微米混合填料的聚二甲基硅氧烷（PDMS）复合材料具有更强的伽马射线屏蔽性能

《Radiation Physics and Chemistry》：Enhanced gamma-ray shielding performance of polydimethylsiloxanes (PDMS) composites reinforced with nano–micro hybrid fillers of high- Z materials

PDMS复合材料中纳米-微米混合高Z填料（锡、铋、钨 carbide）的γ射线屏蔽性能研究，通过实验与理论计算（Phy-X/PSD、WinXCOM）验证，60(SnBi)-PDMS在160.3-834.8 keV范围衰减最佳，纳米粒子提升材料密度、分散性和结构完整性，为轻质、柔性、无铅屏蔽材料提供新方案。

　　

Nur Maizatul Azra Mukhtar | Rafidah Zainon | Mohd Idzat Idris

马来西亚槟城Kepala Batas 13200，马来西亚科学大学Tun Abdullah Ahmad Badawi癌症中心生物医学成像系

摘要

本研究评估了添加了高原子序数（高Z）材料纳米-微米混合填料的PDMS复合材料的伽马（γ）射线屏蔽性能。这些复合材料采用纳米-微米混合基质（NMaM）技术制备，以增强填料在PDMS基质中的分散性和界面粘结性。微米级锡作为主要填料，并与锡、铋和碳化钨的纳米颗粒结合使用，使总填料含量达到60 wt.%。质量衰减系数（MACs）通过Phy-X/PSD和WinXCOM理论计算得出，并通过NaI（Tl）γ谱在160.3至834.8 keV的光子能量范围内进行了实验验证。结果证实了颗粒的均匀分散性和强基质-填料粘结性，实验MACs与理论预测结果非常吻合。在所有配方中，添加了60 wt.%锡-铋混合填料的PDMS复合材料（60(SnBi)-PDMS在整个能量范围内表现出最高的衰减性能，其次是添加了60 wt.%锡-碳化钨填料的PDMS复合材料（60(SnWC)-PDMS）。在160.3 keV时，60(SnBi)-PDMS的MAC值为0.747 ± 0.235 cm²/g（实验值），0.823 cm²/g（Phy-X/PSD），0.649 cm²/g（WinXCOM）；在834.8 keV时，衰减值分别降至0.073 ± 0.002 cm²/g（实验值），0.075 cm²/g（Phy-X/PSD），0.073 cm²/g（WinXCOM）。颗粒类型、光子能量和衰减行为之间的强相关性表明，纳米颗粒的加入通过提高复合材料密度、分散性和微观结构完整性增强了屏蔽效果。总体而言，这些结果突显了优化后的锡-铋增强PDMS复合材料的潜力，使其成为轻质、灵活且无铅的屏蔽材料，适用于现代辐射防护应用。

引言

铅（Pb）由于其高原子序数（Z = 82）和密度（11.34 g/cm³）而被广泛认为是优秀的辐射屏蔽材料。它能有效衰减光子，并通过光电吸收、康普顿散射和电子对产生显著增强光子相互作用（Oglat, 2020），与其他许多材料相比可减少高达90%的辐射（Abualroos et al., 2024; Almurayshid et al., 2021; Alsaab and Zeghib, 2023; Ghimire et al., 2019）。铅的低暴露积累系数进一步减少了次级光子的穿透和散射（Kaur et al., 2019a）。

尽管铅具有优异的衰减性能，但它也存在严重局限性，包括高毒性、环境持久性以及脆性和重量等问题（Alexandre et al., 2017; Cheon et al., 2018; Johnson et al., 2011; Mukhtar et al., 2024; Pedrosa et al., 2010）。这些因素推动了全球范围内开发更安全、更轻便、更环保的替代辐射屏蔽材料的努力。

为此，添加了高Z填料的聚合物基复合材料作为无铅复合材料受到了关注，成为轻质、灵活且无毒的屏蔽材料的理想候选者。许多研究表明，将不透明填料（如氧化铋（Bi₂O₃）、碳化钨（WC）、钴（Co）和锡（Sn）成功融入各种聚合物基质中，可以实现与铅相当的屏蔽性能，例如环氧树脂、聚氨酯、聚乙烯醇和多种有机硅基聚合物（More et al., 2021），包括PDMS、聚甲基氢硅氧烷（PMHS）和全氢聚硅氮烷（PHPS）（Zainal Abidin et al., 2025a）。

在聚合物中，PDMS因其化学稳定性、耐热性、生物相容性和易于加工而脱颖而出。然而，由于其固有的低密度，PDMS需要添加不透明填料来提高其辐射屏蔽效率。正如（Zainal Abidin et al., 2025a）所证明的，添加锡显著改善了PDMS的衰减性能（Roslan et al., 2025; Zainal Abidin et al., 2025a）。纯PDMS在32至1330 keV范围内的光子衰减能力较弱，报道的MAC值在0.054 cm²/g至0.661 cm²/g之间（Nagaraja et al., 2020）。

高原子序数（Z值）和颗粒大小是影响屏蔽效率的关键参数，因为它们为入射光子提供了更大的相互作用截面（Abualroos et al., 2024; Al?m, 2020; Kaur et al., 2019b; Oglat, 2020）。纳米颗粒由于其高表面积与体积比，在聚合物基质中能够实现更均匀的分散，从而增强界面粘结性、降低孔隙率并改善机械和辐射衰减性能（Abualroos et al., 2024; Alsaab and Zeghib, 2023; Lu et al., 2006; Mani et al., 2023）。相比之下，微米级填料虽然更易于加工，但往往会产生空隙和间隙，破坏结构紧凑性并降低衰减效率（Al-Balushi et al., 2022; Wozniak et al., 2017; Zainal Abidin et al., 2025b）。如（Al-Balushi et al., 2022）所指出的，纳米复合材料通常比微米填料复合材料具有更高的密度和更低的孔隙率，从而实现更有效的光子相互作用和减少辐射穿透。

此外，纳米颗粒之间的颗粒间距明显小于微米颗粒，有效减少了可能导致光子穿透的空隙形成，从而降低衰减效率。这些空隙通常由固化过程中产生的挥发性气体或 trapped air 引起，会破坏相邻颗粒之间的原子键合（Li et al., 2018; Soo-Jin Park, 2011）。因此，辐射可能在这些间隙中散射，增加材料穿透的可能性，从而可能使个体暴露于有害的意外辐射中（Al-Balushi et al., 2022; Cheon et al., 2018; Chinangwa et al., 2017; Faggioni et al., 2017; Heidbuchel et al., 2014; Miller and Schauer, 2015）。

然而，关于微米-纳米填料混合对PDMS基质致密性、空隙减少和γ射线衰减的综合影响的研究较少。本研究通过研究添加了微米级锡和Sn、Bi、WC纳米颗粒的PDMS基复合材料，利用纳米-微米混合基质技术的优势，解决了这一空白。这种方法可能通过允许纳米颗粒占据微米颗粒之间的间隙来改善颗粒分散性、界面粘结性和结构紧凑性，从而减少空隙并提高辐射衰减效果。

在本研究中，通过设计的实验测量和Phy-X/PSD及WinXCOM模拟数据库的理论计算，研究了纳米-微米混合复合材料的衰减性能。其性能在160.3至834.8 keV的能量范围内进行了评估。通过研究填料类型、原子序数和颗粒大小分布的影响，本研究有助于开发具有优化微观结构完整性和功能性能的轻质无铅屏蔽材料。

材料

四种金属粉末（图1）购自中国西安功能材料集团有限公司。PDMS聚合物（Sylgard 184 Kit Set）及PDMS固化剂从HardwareMISE Sdn. Bhd购买。根据制造商的说明，PDMS固化剂与PDMS按1:10的比例混合。所用金属粉末和聚合物的物理化学性质总结在表1中。为了验证辐射特性，还使用了商业纯锡

复合材料的物理性质

表3总结了制备样品的物理性质，包括每种复合材料和对照板的理论密度和实验密度及其相应的百分比差异。正如预期的那样，添加金属填料显著增加了复合材料的密度（Abualroos et al., 2024; Alsaab and Zeghib, 2023; Bashir et al., 2020）。

观察到的密度变化（3%至19%）主要是

结论

通过测量160.3至834.8 keV能量范围内的γ射线衰减，评估了三种基于PDMS的纳米-微米复合材料的辐射屏蔽性能。60Sn-PDMS、60(SnBi)-PDMS和60(SnWC)-PDMS分别含有40 wt.%的PDMS和60 wt.%的锡微粒，以及Sn、Bi和WC的纳米颗粒。

60(SnBi)-PDMS在所有能量范围内均表现出最高的衰减性能，其次是60(SnWC)-PDMS，测量不确定性最小且

局限性与未来工作

虽然本研究突显了添加高Z纳米颗粒的PDMS基复合材料的潜力，但未来研究仍需解决一些局限性。本研究中填料组合仅限于Sn、Bi和WC的特定组合。未来的工作可以探索其他混合填料和高Z材料，以扩大优化范围和通用性。

此外，还应探索与替代聚合物基质的优化填料比例

CRediT作者贡献声明

Nur Maizatul Azra Mukhtar：撰写——原始草稿、可视化、方法论、研究设计、资金获取、正式分析、数据管理。Rafidah Zainon：撰写——审稿与编辑、验证、监督、方法论、概念构思。Mohd Idzat Idris：撰写——审稿与编辑、方法论

未引用参考文献

数据可用性

本研究的数据可应请求向相应作者索取。

利益冲突

作者声明与本研究无关的利益冲突。

竞争利益声明

? 作者声明以下可能被视为潜在竞争利益的财务利益/个人关系：Nur Maizatul Azra Mukhtar报告称获得了高等教育部（MOHE）的财政支持。Nur Maizatul Azra Mukhtar和Rafidah Zainon拥有专利“NMAM方法：一种创新的纳米-微米级锡-PDMS基复合材料的混合方法，用于阻挡辐射穿透”。如果存在

致谢

我们感谢高等教育部（MOHE）通过基础研究基金计划（FRGS/1/2023/STG05/UITM/03/3）提供的财政支持。同时感谢MARA技术大学和马来西亚科学大学在研究设施方面的支持。