重要成果

以氧化钆、氧化铋为核，制备了Bi@Si/Gd@Si 核壳结构纳米颗粒，再以KH550 表面修饰，使纳米颗粒表面富含氨基，最后与环氧树脂复合，经超声分散及热固化处理，制得复合屏蔽涂层。填料提高了复合涂层的热稳定性和力学性能，50%负载量的复合涂层粘接强度达25.80 MPa；对¹²⁹I源的X射线屏蔽效率为93.8%，屏蔽¹³⁷Cs源的γ射线一半强度所需理论厚度为3.63 cm。该涂层同时具备高粘合强度和优异的X/γ 射线屏蔽效率，可以通过喷涂等方式应用于金属设备表面。

图3 钆-铋-环氧复合屏蔽涂层的X射线衰减：（a）质量衰减系数与光子能量的关系;（b）质量衰减系数，（c）辐射屏蔽效率，（d）涂层在¹²⁹I照射下的线性衰减系数。

总结与展望

针对传统铅基屏蔽材料在40-88 keV能区屏蔽效率不足，存在生物毒性，以及现有环氧基屏蔽材料易因填料团聚出现力学性能下降和界面分层的问题，本研究通过“核壳结构优化−表面化学键合”改性，制备了钆−铋−环氧复合屏蔽涂层，并探究其各项性能。以Gd₂O₃/Bi₂O₃为核，以SiO₂为壳的核壳结构，利用钆−铋互补的K吸收边实现宽能区射线屏蔽，解决了单一填料宽谱屏蔽不足的问题；KH550改性引入的氨基与环氧基形成化学键合，显著改善了填料分散性，消除团聚引发的力学性能劣化与界面分层风险；壳层化学键合还可避免因密度差异导致的填料重力沉降问题。另外，复合涂层的热稳定性显著提升，力学性能优异，EP-50的粘接强度达25.80 MPa，可以承载500g 砝码而不变形；射线屏蔽效果优异，对¹²⁹I低能X射线的屏蔽效率达93.8%，对¹³⁷Cs源X射线和低能γ射线的宽能区内，其屏蔽效率超过了0.25mm Pb，实现了高效屏蔽与力学性能的协同优化，为金属设备表面辐射防护提供了一种新的解决方案。

背景介绍

在低能射线屏蔽领域，兼具高原子序数与特定K吸收边的金属氧化物受到广泛关注。氧化钆(Gd₂O₃)可有效吸收30~50 keV范围的X射线(如医疗诊断常用的钼靶X射线)，氧化铋(Bi₂O₃)则对80~150 keV 能区表现出卓越的屏蔽性能。此前研究表明，单一填料体系难以实现宽谱连续屏蔽；物理混合的Gd₂O₃/Bi₂O₃颗粒又因密度差异易发生重力沉降，导致涂层内部填料分布不均，形成局部屏蔽薄弱区。近年来，核壳结构填料的提出为解决上述问题提供了一种新思路。以高Z材料作为核层来增强康普顿散射，结合更低Z值的壳层选择性吸收低能光子。同时核壳界面的电子密度梯度可诱导多次散射，延长光子路径，提升衰减概率。然而，现有研究多聚焦于核壳结构本身的屏蔽效能，若仅通过物理混合方式复合，在高负载量下，仍难以完全避免因密度差异或表面能导致的沉降或团聚倾向，弱界面结合会导致屏蔽效能下降。

因此，本研究提出一种“核壳结构优化−表面化学键合”的改性策略：首先，通过改进的溶胶−凝胶工艺制备核壳颗粒，利用TEOS 辅助球磨确保二氧化硅壳层在Gd₂O₃和Bi₂O₃核表面包覆；随后，采用氨基硅烷(KH550)修饰核壳表面，在壳层表面修饰上活性更高的氨基，从而增强填料与环氧树脂基体的化学键合；最后，通过超声及高速剪切实现核壳填料在环氧树脂中的均匀分散。核−壳界面可以诱导有序的光子碰撞，提升宽能区屏蔽效率；表面氨基通过化学键合方式与基体结合，减少了界面缺陷。两者协同作用，使填料在高负载量下能够均匀分散在基体中，使涂层具有高屏蔽效率的同时，仍保持优异的机械性能。

本文相关成果发表于《高分子学报》2026年第4期。论文第一作者为浙江大学硕士生吴岩河和程玉帅，浙江大学王征科为通信联系人。