太空中的兩重輻射威脅，一張薄膜就能全擋住

太空中沒有大氣層的遮蔽，航天器和宇航員同時暴露于兩種來源截然不同的輻射威脅之下：來自電子設備與宇宙背景的電磁波干擾，以及宇宙射線與飛船材料相互作用產生的中子輻射。這兩種威脅的物理本質不同，為每種威脅配備專用屏蔽層，就意味著更多的重量、更復雜的結構、更高的成本。

2026 年 3 月，韓國科學技術研究院（KIST）的研究團隊在頂級材料期刊《先進材料》上發文，他們開發出一種新型復合材料，將兩種功能納米管組合在一起，在比頭發絲還薄的單層超薄、可拉伸、可 3D 打印結構中，同時實現對電磁波的高效屏蔽和對中子輻射的有效吸收。為核電操作防護、醫療放射治療設備等應用場景提供了更輕量、更安全的解決方案。

圖 | 3D 打印的 SWCNT/BNNT/PDMS 復合材料（來源：DOI：10.1002）

兩種輻射，兩種挑戰

在航空航天、核能、國防和高端醫療等領域，電子系統面臨的輻射威脅主要來自兩個方向：電磁干擾（EMI）和中子輻射。

電磁干擾指來自外部或設備自身的電磁波對電子元件正常工作的擾動。在空間環境中，太陽粒子事件（SPE）、地球磁層俘獲輻射（范艾倫帶）中的高能帶電粒子，以及衛星本身密集的電子設備之間的相互干擾，都是重要的電磁干擾源。

對此，商業電子設備的屏蔽要求通常在 30 dB 以上，而軍用和航天級設備則普遍要求 60 dB 乃至更高。換算成物理概念，每增加 10 dB，就要將電磁波能量衰減至原先的十分之一，60dB 就意味著要將入射電磁波能量衰減至百萬分之一。

中子輻射的來源則有所不同。宇宙射線在穿越飛船結構材料時，會通過散裂反應產生二次中子；在核電站和醫療放射環境中，中子同樣大量存在。中子不帶電荷，穿透能力極強，能夠與半導體材料中的原子核發生碰撞，引發單粒子翻轉（SEU）等效應，導致存儲器數據錯誤甚至電路永久性損傷，對航天器電子系統構成嚴重威脅。

面對這兩種威脅，現有工程實踐的做法是“各打各的”：金屬（銅、鋁）和導電涂層用于電磁干擾屏蔽，含氫聚合物（聚乙烯）和含硼材料（碳化硼、硼酸）用于中子屏蔽。想實現同時屏蔽，就要將兩套系統疊加使用。這種方案在重量和體積上的代價，在對重量極其敏感的航天應用中尤為突出。而且，傳統電磁屏蔽材料不透氣、不可彎曲，也無法用于柔性可穿戴系統。

兩種納米管的“互補”邏輯

韓國科學技術研究院（KIST）極端環境屏蔽材料研究中心 Joo Yong-ho 博士領導的研究團隊，提出了一種全新解決思路：將兩種在物理功能上互補的納米管組合在同一材料體系中，使其各自發揮所長，在單層薄膜中同時實現雙模式屏蔽。

單壁碳納米管（SWCNTs）具有極高的電導率，能夠形成連續的導電網絡。電磁波照射到其導電網絡時，可通過兩種機制實現屏蔽：一是歐姆損耗，即導電網絡中的自由電子對電磁波能量的耗散；二是異質界面處電荷積累引起的介電損耗。研究人員開發 SWCNTs 薄膜，屏蔽機制以吸收為主，即將電磁波能量轉化為熱量消散，這在需要防止二次輻射污染的封閉系統中具有更大優勢。

另一種是富含硼原子的氮化硼納米管（BNNTs），其中的硼-10 同位素具有極高的熱中子俘獲截面，遠高于大多數常見元素。當熱中子與同位素核發生碰撞時，會發生核反應，這一反應將中子轉化為鋰-7 核和α粒子，二者穿透力極弱，可在極短距離內被周圍材料吸收，同時釋放極少量伽馬射線，這種屏蔽方式對周圍結構的二次危害遠小于鎘等其他中子吸收材料，BNNTs 的納米管形態不僅保留了元素性質，也因其材料特征具備低密度、高表面積的優勢。

研究的一個關鍵發現是，當 SWCNTs 與 BNNTs 在溶液中混合并進行真空抽濾成膜后，兩種納米管自發形成了一種同軸包裹結構，單壁碳納米管束傾向于纏繞并包覆于氮化硼納米管的外表面，形成有序的層級結構。研究人員通過進一步分析，證實兩種納米管之間存在應變相互作用，元素分布圖則確認了硼、氮和碳在薄膜截面中的均勻分布。

（來源：DOI：10.1002/adma.202513805）

這種同軸結構帶來了兩方面好處，其一，單壁碳納米管網絡的連續導電路徑得以保持，確保了 EMI 屏蔽性能；其次，BNNTs 被均勻嵌入導電基體中，無論中子從哪個方向入射，均有較高概率與硼-10 同位素發生俘獲反應，保障了屏蔽效率。

純薄膜與 3D 打印復合體

為應對不同需求，研究團隊開發了兩種產品形態。第一種形態是純復合薄膜，通過將兩種納米管分散于表面活性劑溶液中制備均勻懸浮液，再經真空抽濾成膜制得。薄膜平均厚度為 10 至 20 微米，比人類頭發絲還薄。

在 X 波段（8 至 12 GHz）頻率范圍內，純復合薄膜的電磁屏蔽效能超過 50 dB，能夠有效阻隔 99.999% 的電磁波能量。作為參照，商業級電子產品的屏蔽需求通常約為 30 dB，而軍用設備通常要求 60 dB 以上。

在中子屏蔽方面，當單壁碳納米管與氮化硼納米管的質量比為 2∶8 時，不到一張信用卡厚度的材料，僅憑其中的硼-10 原子，即可實現約四分之三的中子衰減。

第二種形態將上述納米管網絡嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）彈性體基體中，制成具有本征可拉伸性的納米復合墨水，這種墨水可以通過直接墨水書寫技術（DIW，一種基于擠出的增材制造方法）進行 3D 打印成型。

流變學測試證實，該墨水具備打印所需的黏彈性特性。打印得到的復合材料，其斷裂應變超過 125%，可拉伸至原長度兩倍以上，在反復形變循環下，電磁屏蔽性能可始終保持穩定。材料還能在?196°C 至 250°C 的溫度范圍內保持結構完整性，覆蓋從低溫液氮環境到高溫太陽暴曬的極端工況。在亞毫米厚度下，復合材料的電磁屏蔽效能約為 23 dB，低于純薄膜，但對于需要柔性貼合的應用場景仍具有實用意義。

（來源： DOI：10.1002/adma.202513805）

PDMS 形態的引入，使該材料從高性能實驗室薄膜向可實際部署的柔性防護結構邁進了一步：它可以被打印成任意形狀，貼合在不規則的航天器表面、穿戴式防護裝備或醫療設備殼體上。

結構設計的額外增益

除了材料組成本身，研究還揭示了結構幾何設計對屏蔽性能的額外增益。利用 DIW 打印技術，研究團隊制備了蜂窩（honeycomb）晶格結構的屏蔽體，并與同等厚度的平板材料進行了對比。

結果顯示，蜂窩結構材料的電磁屏蔽效能比同厚度平板材料高出約 15%。其物理機制在于，蜂窩孔壁對入射電磁波產生多次內反射，電磁波在材料內部的傳播路徑延長，從而被更充分地吸收和耗散。這一發現表明，在材料配方既定的情況下，通過打印拓撲結構設計，還可以進一步提升屏蔽性能，這為未來彌補材料自身性能局限提供了新思路。

（來源： DOI：10.1002/adma.202513805）

未來，該材料最直接的應用方向是航天領域。衛星結構板、空間站艙壁內襯和航天服輔助防護層，對材料的輕質性和柔性貼合能力有極高要求，這種復合碳納米管薄膜正好彌補了金屬屏蔽材料的不足。

核能領域同樣存在類似需求，核反應堆控制室的儀器儀表、核廢料處理設施的操作人員防護，以及核電站內普遍存在的中子與電磁干擾并存的混合環境，都是該材料可以發揮“一層頂兩層”優勢的場合。

在醫療端，質子治療和放療設備中的精密電子系統同時暴露于高能粒子輻射和設備自身產生的強電磁場，傳統解決方案同樣是分層疊加，而可成型的柔性復合材料為一體化防護提供了新的可能。3D 打印成型能力還使其有望直接制成貼合人體輪廓的穿戴式防護裝備，兼顧輕質與多功能屏蔽。

然而，距離上述應用真正落地，還必須解決一些挑戰。最直接的是純薄膜與 PDMS 復合材料之間的性能落差：引入彈性體基體后，電磁屏蔽效能降至約 23 dB，柔性與高性能之間的權衡仍未完全解決。

中子屏蔽方面，論文報告的 72% 衰減率對應的是熱中子，而在空間環境里，宇宙射線產生的次級中子能譜寬廣，其中，硼-10 同位素對快中子的俘獲截面比熱中子低約三到四個數量級，快中子必須先經氫等輕元素慢化為熱中子后才能被硼有效俘獲，因此，單層氮化硼納米管薄膜對高能次級中子的實際防護效果存在局限。

此外，氮化硼納米管的合成工藝目前遠比碳納米管復雜，產量有限、成本較高，這成為制約其規模化應用的現實瓶頸。材料在長期輻射照射下的穩定性，包括持續中子轟擊導致的硼-10 逐漸消耗，也需進行系統的實驗驗證。

研究團隊認為，這些問題并非無解。結合上述發現，若能精確調校出蜂窩晶格的最佳幾何參數、使用富集硼-10 的氮化硼納米管，一張貼在航天器艙壁上的薄膜，或許真的可以同時做到兩件事，電磁干擾無從穿透，而中子在抵達半導體之前，就已在硼原子的俘獲反應中消失。

參考資料：

相關鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202513805

運營/排版：何晨龍

注：封面/首圖由 AI 輔助生成