出版信息：Adv. Powder Mater. 3(2024)100229.
第一作者：梁乐行
通信作者：董岩皓，齐建起，石彦立
文章摘要
核能对可持续能源和经济发展至关重要，传统铅玻璃由于辐射引起的变色、较差的机械性能及毒性，作为辐射屏蔽窗口材料的应用存在不足，迫切需要发展可实现多射线综合屏蔽、光学性能理想、辐照稳定性优秀及无毒性的先进窗口材料。本研究报道了一种新型LaxGd2−xZr2O7透明陶瓷材料，其具备的独特物理化学性质使其在辐射屏蔽窗口应用方面潜力巨大。该材料可同时实现对γ和中子的高效屏蔽，并在遭受1000 kGy的60Co γ射线照射后仍能保持高透明度。提高其La含量能显著增强抗辐射变色的服役稳定性，而提高其Gd含量则会表现出浅度变色，但这种变色能在可见光下可逆恢复。本研究为透明陶瓷材料在高辐射环境窗口领域的应用提供了一种全新的思路。
研究背景
核电站的电子控制系统对电离辐射极为敏感，需要能够长期承受高辐射环境的辐射屏蔽观察窗。福岛核事故凸显了在观察设备中使用辐射屏蔽透明窗口的重要性，例如监测乏燃料池的数字摄像头和紧急情况下的救援机器人。此类辐射屏蔽窗户需同时屏蔽多种电离辐射——包括光子（γ射线、X射线）和粒子（α、β射线以及中子），并允许可见光透过以实现清晰的观测。在众多类型的电离辐射中，γ射线和中子因其极强的穿透力而成为最大的挑战。传统上使用铅玻璃作为辐射屏蔽窗口材料，但存在以下问题：1）先进核电站的复杂辐射环境对窗口材料提出了更高的要求；2）铅玻璃在长期高剂量辐射下容易变色，影响观测效果；3）铅玻璃的机械性能较差，需要提高；4）铅具有毒性，寻找无铅替代材料势在必行。
创新点
（1）无铅透明陶瓷透明辐射窗口材料设计与合成
（2）透明陶瓷辐射屏蔽和稳定性能力评价
（3）优化的La/Gd比例调控策略
文章概述
图2 γ/n 辐射屏蔽性能。(a) γ 辐射设备示意图。(b) GRZO 对 137Cs 和 60Co γ 辐射的屏蔽性能。实心符号表示实验数据，虚线表示拟合曲线。(c) 从实验数据中获得的拟合线性衰减系数（LAC）值与通过 Phy-X/PSD 程序模拟得到的理论值（实线）的比较。(d) 中子辐射设备示意图。(e) 通过不同厚度的 GRZP 样品测得的 241Am-9Be 中子透过率，分别为覆盖 Cd 板（蓝色）和未覆盖（红色）情况。实心符号表示实验数据，虚线表示拟合曲线。(f) 计算出的不同厚度 GRZP 对热中子的屏蔽率。
除了光学透明性、机械性能和屏蔽能力外，另一个关键考虑因素是窗口材料对辐射引起的变暗/着色的稳定性。为评估这种稳定性，我们将透明LGZO样品暴露于重度60Co γ辐射下，剂量分别为200、600和1000 kGy，辐射剂量率为20 kGy/h。结果发现，GRZP出现浅度变暗，而LRZP则未显示任何视觉变化。有趣的是，经过辐射变暗的样品可通过短时间暴露在可见光下（如60 W/m²的太阳光源）在室温下恢复透明。我们将这种逆向过程称为漂白。量化分析表明，GRZP在辐射前后及漂白后的直线透射率在250-850 nm波长范围内显著变化，且漂白后透射率可完全恢复。相比之下，LRZP表现出显著更好的辐射稳定性，其透射率和光学带隙在辐射前后和漂白后均保持不变。
图4辐射稳定性的结构起源。(a)(b) 有序萤石结构的原子结构 (a) 和无序萤石结构 (b)。(c)(d) GRZP (c) 和 LRZP (d) 在4 K下的电子顺磁共振（EPR）光谱。(e)(f) GRZP (e) 和 LRZP (f) 的热释光（TL）光谱。
启示
本研究证明了使用LaxGd2−xZr2O7透明陶瓷作为一种新型无铅γ/中子辐射屏蔽窗材料的可行性。该材料相比传统的铅玻璃具有显著的优势，包括优越的机械性能、有效的γ/中子辐射屏蔽能力，以及增强的抗辐射变色稳定性。除了在加工工艺上的突破外，La/Gd比例调控极大地提高了材料在强辐射条件下的抗变色稳定性也是一个重要的发现，是开发高性能LGZO窗口材料的关键因素。这项技术解决方案依赖于烧绿石相对于萤石相的相对稳定性，其中La被证明是增强烧绿石相稳定性并抑制48f/8a反位缺陷形成的最有效的稀土元素。展望未来，通过简单的元素替换可以进一步提高透明陶瓷窗的屏蔽能力。为了提高γ射线的屏蔽能力，可以将Zr（原子序数：40，原子量：91.224）替换为Hf（原子序数：72，原子量：178.49）。鉴于Zr和Hf的相似性质，这里报道的合成和加工技术可以直接应用于制备透明的LaxGd2−xHf2O7窗口材料。为了提高中子辐射的屏蔽能力，可以使用富集的Gd同位素。未富集的Gd具有48800 barn/atom的热中子截面，而157Gd的热中子截面则显著更高，为254300 barn/atom。本工作指明了透明烧绿石氧化物陶瓷用于强辐射环境窗口材料的巨大潜力。
团队介绍
梁乐行，四川大学物理学院博士研究生。研究方向为核用先进陶瓷的制备和应用。
董岩皓，清华大学材料学院助理教授，美国陶瓷学会荣誉终身会员，J. Am. Ceram. Soc.副主编。2012年毕业于清华大学材料科学与工程系，获学士学位。2012至2017年，在美国宾夕法尼亚大学学习，获材料学硕士、应用力学硕士和材料学博士学位，从事陶瓷材料烧结、扩散、微结构演化等基础理论的研究。2017至2022年，在美国麻省理工学院从事博士后研究，从事交叉学科陶瓷材料设计、制备、微结构、衰减机理的研究。获得美国陶瓷学会颁发的Early Discovery Award、Edward C. Henry Award、摩根奖章和全球优秀博士生论文奖，麻省理工科技评论“35岁以下科技创新35人”中国区先锋者，Acta Materialia期刊Acta Student Award，宾夕法尼亚大学Sidney J. Stein Prize等荣誉。近年来以第一作者和通讯作者（含共同）发表高水平学术论文50余篇，包括Nature、Nat. Energy（5篇）、Chem. Rev.、Energy Environ. Sci.（2篇）、Adv. Mater.（4篇）、Acta Mater.（11篇）、J. Am. Ceram. Soc.（8篇）等。目前主要研究方向为结构陶瓷和能源陶瓷材料。
齐建起，四川大学物理学院教授，博士生导师，物理系副主任，辐射物理及技术教育部重点实验室副主任。2009年毕业于四川大学物理学院，获博士学位。2012-2013在美国加州大学戴维斯分校Navrotsky院士课题组从事访问学者研究。先后承担国家自然科学基金(联合基金重点项目、联合基金培育项目和青年基金等)、国家重点研发项目课题，四川省科技计划项目等20余项项目，在the Journal of Physical Chemistry Letters, ACS Applied Materials and Interfaces, Applied Physics Letters, Physical Review Applied, Journal of Physical Chemistry C, Scripta Materialia等期刊发表论文150余篇，参与申请专利10余项，曾获得四川省科技进步二等奖等奖励。现为中国硅酸盐学会特陶分会理事、青年工作委员会副主任，担任《Journal of Advanced Ceramics》、《Journal of Rare Earths》、《发光学报》、《中国稀土学报》、《现代技术陶瓷》、《硅酸盐通报》等期刊编委会成员。研究方向为：1) 先进功能材料(特种陶瓷材料、薄膜材料等)设计与制备；2) 极端条件(高温、高压、强冲击和辐射环境等)材料服役性能研究；3) 材料体系和微结构设计与服役性能调控。
文章信息
Lexing Liang, Xiuling Wang, Cong Zhang, Kailei Lu, Guangfan Tan, Yanhao Dong,Yanli Shi, Jianqi Qi, Tiecheng Lu. New lead-free chemistry for in situ monitoring of advanced nuclear power plant. Adv. Powder Mater. 3(2024)100229. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2024.100229
中文导读(点击标题进入阅读)：
Grain-interior planar defects induced by heteroatom monolayer
Integrated multi-mode glass ceramic fiber for high-resolution temperature sensing
Advanced Powder Materials上线论文分类展示
Advanced Powder Materials（先进粉体材料（英文））创刊于2022年1月，由中南大学与KeAi合作创办，粉末冶金国家重点实验室和粉末冶金国家工程研究中心承办的粉体材料领域的学术期刊。主编是黄伯云院士和Chain-Tsuan Liu院士。致力于发表国内外粉体材料领域及其交叉学科具有原创性和重要性的最新研究成果。
l 坚持高质量办刊，审稿原则“高效、双盲、严格”
l IF：28.6
l 获得奖项：
