一、研究背景

近年來(lái)，人類對(duì)太空的癡迷程度大幅提高。然而，開(kāi)發(fā)輻射屏蔽可穿戴技術(shù)至關(guān)重要。此外，“可穿戴技術(shù) ”指的是能屏蔽 X 射線、伽馬射線和中子粒子等輻射的設(shè)備。輻射屏蔽材料的需求預(yù)計(jì)將在火星殖民過(guò)程及其后時(shí)期達(dá)到高峰。電子設(shè)備現(xiàn)已成為宇航員在太空行走時(shí)穿戴的尖端設(shè)備的組成部分。電離粒子能夠干擾先進(jìn)技術(shù)設(shè)備的功能，并對(duì)人類健康構(gòu)成重大威脅。因此，宇宙輻射對(duì)太空可穿戴技術(shù)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

根據(jù)貝采-布洛赫公式，原子序數(shù)與原子質(zhì)量比高的材料吸收輻射的效果更好。輻射按其引發(fā)和組合多種類型輻射的能力分為原生輻射和次生輻射。從輻射源直接到達(dá)屏蔽材料的輻射被稱為一次輻射。而二次輻射則是原生輻射與屏蔽材料的元素相互作用時(shí)產(chǎn)生的。由于二次輻射和一次輻射的能級(jí)相差很大，屏蔽材料必須含有高原子序數(shù)的元素。

由于氫的原子序數(shù)與原子質(zhì)量比高，氫被認(rèn)為是輻射屏蔽最有效、最基本的成分。為了制造用于輻射屏蔽的聚合物納米復(fù)合材料，必須使用含氫量高的聚合物。在屏蔽宇宙輻射方面，聚乙烯醇具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括可成形性、高氫含量和成本效益。除了 X 射線和伽馬射線等電離輻射外，非電離中子粒子也被廣泛認(rèn)為是最危險(xiǎn)的輻射類型，因?yàn)樗鼈兛赡軐?duì)人體健康造成嚴(yán)重?fù)p害。鋰、鎘和硼是具有優(yōu)勢(shì)的中子屏蔽材料，因?yàn)樗鼈兙哂休^大的中子吸收截面積。盡管硼的吸收截面面積比其他元素相對(duì)較小，但由于其生產(chǎn)成本低、易于應(yīng)用，硼仍是一個(gè)合適的選擇。

在連續(xù)纖維納米復(fù)合材料中加入硼，表明有必要超越傳統(tǒng)的輻射屏蔽技術(shù)。利用硼的優(yōu)異特性，這些新型技術(shù)大大提高了材料的輻射衰減效率。它利用了硼的獨(dú)特性質(zhì)，而硼以其卓越的中子吸收能力而聞名。重要的是，電紡絲技術(shù)保證了硼在聚合物基體中的均勻分布，而精確操縱納米結(jié)構(gòu)形態(tài)的能力則允許形成致密的無(wú)紡纖維氈。

最近的研究表明，具有低密度、高抗沖擊性和抗拉強(qiáng)度等纖維形態(tài)特征的復(fù)合材料比傳統(tǒng)的塊狀材料具有更強(qiáng)的屏蔽能力。因此，納米纖維是通過(guò)電紡絲設(shè)備生產(chǎn)出來(lái)的，這被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單、最具成本效益的纖維生產(chǎn)方法。在我們之前的研究中，在聚乙烯醇（PVA）溶液中添加硼酸提高了硼增強(qiáng) PVA 納米纖維的屏蔽性能。已經(jīng)證實(shí)，以硼酸為添加劑生產(chǎn)的 10 微米厚的硼酸酯 PVA 納米纖維的中子屏蔽效能至少為 6%。該研究強(qiáng)調(diào)了在屏蔽過(guò)程中形成均勻纖維的重要性，并觀察到屏蔽百分比與纖維分子成分中的高硼含量呈正相關(guān)。因此，使用含有大量硼的均勻纖維有望提高屏蔽效果。

本研究深入探討了硼酸和元素硼在聚乙烯醇（PVA）納米纖維組合物中的聯(lián)合使用，以及這兩種材料對(duì)納米纖維結(jié)構(gòu)和輻射防護(hù)性能的協(xié)同作用。詳細(xì)分析了粘度和纖維直徑的變化，以及硼酸和硼元素濃度變化引起的形態(tài)變化所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變化。在可穿戴技術(shù)應(yīng)用中，通過(guò)保持納米纖維的纖維結(jié)構(gòu)來(lái)確保最佳的元素硼濃度，從而提高納米纖維的輻射防護(hù)性能，可在結(jié)構(gòu)完整性和輻射防護(hù)效率之間實(shí)現(xiàn)有效平衡。由同時(shí)含有硼酸和硼的成分制成的納米復(fù)合材料所產(chǎn)生的分子和形態(tài)變化表明，其屏蔽效率超過(guò)了 13%，突出了所開(kāi)發(fā)的納米纖維氈在輻射防護(hù)應(yīng)用中的適用性。

二、摘要

電紡絲設(shè)備是一種先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)，用于制造硼增強(qiáng)連續(xù)纖維納米復(fù)合材料，以保護(hù)太空任務(wù)免受宇宙輻射這一重大危害。通過(guò)在聚合物基體中加入硼元素（硼元素以其卓越的中子屏蔽性能而著稱），生產(chǎn)出了一種柔韌、輕質(zhì)、抗輻射能力強(qiáng)的復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，用硼、硼酸或兩者增強(qiáng)的連續(xù)纖維納米復(fù)合材料具有很高的宇宙輻射屏蔽效率。生產(chǎn)出的納米復(fù)合材料適應(yīng)性強(qiáng)、重量輕，非常適合太空應(yīng)用。雖然硼酸會(huì)在分子水平上與 PVA 結(jié)合并改變 PVA 的分子鏈結(jié)構(gòu)，但人們認(rèn)為元素硼只是以微粒的形式加入到 PVA 聚合物中。眾所周知，硼酸和元素硼摻雜的納米復(fù)合材料可提供厚度為 10 微米的樣品，具有 13.56% 的中子屏蔽率和卓越的光子阻擋能力。

三、結(jié)論

我們的研究最后全面分析了硼酸和硼元素的補(bǔ)充對(duì)聚乙烯醇（PVA）納米纖維的微觀結(jié)構(gòu)及其輻射屏蔽能力的影響。通過(guò)改變硼酸和硼元素的濃度，可以成功地改變 PVA 納米纖維的直徑、形態(tài)和熱性能。這種靈活性有助于生產(chǎn)出性能更強(qiáng)的復(fù)合材料，用于輻射屏蔽。在我們的研究中，元素硼增強(qiáng)的硼酸酯納米纖維被嵌入硼酸酯層之間，硼酸酯層的最佳成分為 2% 硼酸和 1% 元素硼（按重量計(jì)），從而確保了纖維結(jié)構(gòu)的完整性。根據(jù) PhyX 計(jì)劃進(jìn)行的模擬和核研究中心進(jìn)行的實(shí)際實(shí)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)出一種 10 微米厚的納米復(fù)合材料，可屏蔽 13% 以上的中子，這是一項(xiàng)重大進(jìn)展。除了先進(jìn)的輻射能力外，控制納米纖維尺寸和定制復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的能力還將其應(yīng)用擴(kuò)展到輕質(zhì)靈活的防輻射服裝、高效過(guò)濾系統(tǒng)和先進(jìn)的航空航天材料。

圖1.電紡絲過(guò)程中復(fù)合結(jié)構(gòu)的形成和分化

 

圖2.中子屏蔽流程