研究室成果在《Advanced Optical Materials》上发表
2025年08月13日
透明陶瓷因其优异的光学性能、高温稳定性与辐照耐受性，在高能激光窗口、辐射探测器及核能领域展现出广阔应用前景。特别是铀掺杂透明陶瓷，结合了优异的机械与化学稳定性以及特殊的核能特性，在核燃料包壳材料、辐射屏蔽器件和先进核能系统中被寄予厚望。铀离子的引入不仅能赋予材料独特的辐照响应特性，还能拓展其在核探测与核废料处理等领域的应用。在高能粒子探测、核技术和光学材料等领域，铀掺杂陶瓷因其独特的光学和辐射屏蔽性能而备受关注，这是因为铀元素具有高原子序数从而能够高效地与高能粒子（如X射线、伽马射线和快中子）相互作用，从而实现能量的吸收和转移。然而，铀掺杂也带来了巨大的制备挑战。由于铀离子的高价态和较大半径，在陶瓷晶格中掺杂时极易引起晶格应力集中，导致缺陷生成、相分离及晶粒粗化，严重降低材料的透明度与结构完整性。特别是在高掺杂浓度下，这种晶格畸变问题尤为突出，成为制约含铀透明陶瓷实际应用的核心障碍。
针对这一难题，本研究以稳定萤石结构的Y2Zr2O2为基体，系统研究了微量铈离子（Ce3+）掺杂在不同铀浓度下对陶瓷结构和性能的调控作用。铈离子具有较大的离子半径，能够实现晶格扩张，缓解局部应力；同时，铈的价态稳定性有助于调节铀离子的价态分布，抑制有害的电子吸收中心形成。实验结果表明，在5%铀掺杂的Y2Zr2O7陶瓷中，未掺杂铈的样品完全不透明；而仅引入0.2% Ce3+后，陶瓷便展现出优异的可见光透明性，清晰透视底部图案。X射线光电子能谱（XPS）分析显示，铈掺杂明显调控了铀离子的价态分布，降低了U6+比例，减少了电子吸收中心，有效提升了材料的光学性能。拉曼光谱进一步表明，铈掺杂显著减弱了铀诱导的~800 cm-1拉曼峰，晶格畸变得到明显缓解。本研究首次在高铀浓度条件下证实了铈离子掺杂在透明陶瓷中实现晶格扩张、缺陷抑制与铀价态调控的三重作用，显著提升了材料的透明度与结构稳定性。这一成果为高性能含铀透明陶瓷的设计与制备提供了新的解决思路，有望在高功率光学系统、辐射防护器件及先进核能应用中发挥重要作用。
