太空中的两重辐射威胁，一张薄膜就能全挡住

太空中没有大气层的遮蔽，航天器和宇航员同时暴露于两种来源截然不同的辐射威胁之下：来自电子设备与宇宙背景的电磁波干扰，以及宇宙射线与飞船材料相互作用产生的中子辐射。这两种威胁的物理本质不同，为每种威胁配备专用屏蔽层，就意味着更多的重量、更复杂的结构、更高的成本。

2026 年 3 月，韩国科学技术研究院（KIST）的研究团队在顶级材料期刊《先进材料》上发文，他们开发出一种新型复合材料，将两种功能纳米管组合在一起，在比头发丝还薄的单层超薄、可拉伸、可 3D 打印结构中，同时实现对电磁波的高效屏蔽和对中子辐射的有效吸收。为核电操作防护、医疗放射治疗设备等应用场景提供了更轻量、更安全的解决方案。

图 | 3D 打印的 SWCNT/BNNT/PDMS 复合材料（来源：DOI：10.1002）

两种辐射，两种挑战

在航空航天、核能、国防和高端医疗等领域，电子系统面临的辐射威胁主要来自两个方向：电磁干扰（EMI）和中子辐射。

电磁干扰指来自外部或设备自身的电磁波对电子元件正常工作的扰动。在空间环境中，太阳粒子事件（SPE）、地球磁层俘获辐射（范艾伦带）中的高能带电粒子，以及卫星本身密集的电子设备之间的相互干扰，都是重要的电磁干扰源。

对此，商业电子设备的屏蔽要求通常在 30 dB 以上，而军用和航天级设备则普遍要求 60 dB 乃至更高。换算成物理概念，每增加 10 dB，就要将电磁波能量衰减至原先的十分之一，60dB 就意味着要将入射电磁波能量衰减至百万分之一。

中子辐射的来源则有所不同。宇宙射线在穿越飞船结构材料时，会通过散裂反应产生二次中子；在核电站和医疗放射环境中，中子同样大量存在。中子不带电荷，穿透能力极强，能够与半导体材料中的原子核发生碰撞，引发单粒子翻转（SEU）等效应，导致存储器数据错误甚至电路永久性损伤，对航天器电子系统构成严重威胁。

面对这两种威胁，现有工程实践的做法是“各打各的”：金属（铜、铝）和导电涂层用于电磁干扰屏蔽，含氢聚合物（聚乙烯）和含硼材料（碳化硼、硼酸）用于中子屏蔽。想实现同时屏蔽，就要将两套系统叠加使用。这种方案在重量和体积上的代价，在对重量极其敏感的航天应用中尤为突出。而且，传统电磁屏蔽材料不透气、不可弯曲，也无法用于柔性可穿戴系统。

两种纳米管的“互补”逻辑

韩国科学技术研究院（KIST）极端环境屏蔽材料研究中心 Joo Yong-ho 博士领导的研究团队，提出了一种全新解决思路：将两种在物理功能上互补的纳米管组合在同一材料体系中，使其各自发挥所长，在单层薄膜中同时实现双模式屏蔽。

单壁碳纳米管（SWCNTs）具有极高的电导率，能够形成连续的导电网络。电磁波照射到其导电网络时，可通过两种机制实现屏蔽：一是欧姆损耗，即导电网络中的自由电子对电磁波能量的耗散；二是异质界面处电荷积累引起的介电损耗。研究人员开发 SWCNTs 薄膜，屏蔽机制以吸收为主，即将电磁波能量转化为热量消散，这在需要防止二次辐射污染的封闭系统中具有更大优势。

另一种是富含硼原子的氮化硼纳米管（BNNTs），其中的硼-10 同位素具有极高的热中子俘获截面，远高于大多数常见元素。当热中子与同位素核发生碰撞时，会发生核反应，这一反应将中子转化为锂-7 核和α粒子，二者穿透力极弱，可在极短距离内被周围材料吸收，同时释放极少量伽马射线，这种屏蔽方式对周围结构的二次危害远小于镉等其他中子吸收材料，BNNTs 的纳米管形态不仅保留了元素性质，也因其材料特征具备低密度、高表面积的优势。

研究的一个关键发现是，当 SWCNTs 与 BNNTs 在溶液中混合并进行真空抽滤成膜后，两种纳米管自发形成了一种同轴包裹结构，单壁碳纳米管束倾向于缠绕并包覆于氮化硼纳米管的外表面，形成有序的层级结构。研究人员通过进一步分析，证实两种纳米管之间存在应变相互作用，元素分布图则确认了硼、氮和碳在薄膜截面中的均匀分布。

（来源：DOI：10.1002/adma.202513805）

这种同轴结构带来了两方面好处，其一，单壁碳纳米管网络的连续导电路径得以保持，确保了 EMI 屏蔽性能；其次，BNNTs 被均匀嵌入导电基体中，无论中子从哪个方向入射，均有较高概率与硼-10 同位素发生俘获反应，保障了屏蔽效率。

纯薄膜与 3D 打印复合体

为应对不同需求，研究团队开发了两种产品形态。第一种形态是纯复合薄膜，通过将两种纳米管分散于表面活性剂溶液中制备均匀悬浮液，再经真空抽滤成膜制得。薄膜平均厚度为 10 至 20 微米，比人类头发丝还薄。

在 X 波段（8 至 12 GHz）频率范围内，纯复合薄膜的电磁屏蔽效能超过 50 dB，能够有效阻隔 99.999% 的电磁波能量。作为参照，商业级电子产品的屏蔽需求通常约为 30 dB，而军用设备通常要求 60 dB 以上。

在中子屏蔽方面，当单壁碳纳米管与氮化硼纳米管的质量比为 2∶8 时，不到一张信用卡厚度的材料，仅凭其中的硼-10 原子，即可实现约四分之三的中子衰减。

第二种形态将上述纳米管网络嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体基体中，制成具有本征可拉伸性的纳米复合墨水，这种墨水可以通过直接墨水书写技术（DIW，一种基于挤出的增材制造方法）进行 3D 打印成型。

流变学测试证实，该墨水具备打印所需的黏弹性特性。打印得到的复合材料，其断裂应变超过 125%，可拉伸至原长度两倍以上，在反复形变循环下，电磁屏蔽性能可始终保持稳定。材料还能在−196°C 至 250°C 的温度范围内保持结构完整性，覆盖从低温液氮环境到高温太阳暴晒的极端工况。在亚毫米厚度下，复合材料的电磁屏蔽效能约为 23 dB，低于纯薄膜，但对于需要柔性贴合的应用场景仍具有实用意义。

（来源： DOI：10.1002/adma.202513805）

PDMS 形态的引入，使该材料从高性能实验室薄膜向可实际部署的柔性防护结构迈进了一步：它可以被打印成任意形状，贴合在不规则的航天器表面、穿戴式防护装备或医疗设备壳体上。

结构设计的额外增益

除了材料组成本身，研究还揭示了结构几何设计对屏蔽性能的额外增益。利用 DIW 打印技术，研究团队制备了蜂窝（honeycomb）晶格结构的屏蔽体，并与同等厚度的平板材料进行了对比。

结果显示，蜂窝结构材料的电磁屏蔽效能比同厚度平板材料高出约 15%。其物理机制在于，蜂窝孔壁对入射电磁波产生多次内反射，电磁波在材料内部的传播路径延长，从而被更充分地吸收和耗散。这一发现表明，在材料配方既定的情况下，通过打印拓扑结构设计，还可以进一步提升屏蔽性能，这为未来弥补材料自身性能局限提供了新思路。

（来源： DOI：10.1002/adma.202513805）

未来，该材料最直接的应用方向是航天领域。卫星结构板、空间站舱壁内衬和航天服辅助防护层，对材料的轻质性和柔性贴合能力有极高要求，这种复合碳纳米管薄膜正好弥补了金属屏蔽材料的不足。

核能领域同样存在类似需求，核反应堆控制室的仪器仪表、核废料处理设施的操作人员防护，以及核电站内普遍存在的中子与电磁干扰并存的混合环境，都是该材料可以发挥“一层顶两层”优势的场合。

在医疗端，质子治疗和放疗设备中的精密电子系统同时暴露于高能粒子辐射和设备自身产生的强电磁场，传统解决方案同样是分层叠加，而可成型的柔性复合材料为一体化防护提供了新的可能。3D 打印成型能力还使其有望直接制成贴合人体轮廓的穿戴式防护装备，兼顾轻质与多功能屏蔽。

然而，距离上述应用真正落地，还必须解决一些挑战。最直接的是纯薄膜与 PDMS 复合材料之间的性能落差：引入弹性体基体后，电磁屏蔽效能降至约 23 dB，柔性与高性能之间的权衡仍未完全解决。

中子屏蔽方面，论文报告的 72% 衰减率对应的是热中子，而在空间环境里，宇宙射线产生的次级中子能谱宽广，其中，硼-10 同位素对快中子的俘获截面比热中子低约三到四个数量级，快中子必须先经氢等轻元素慢化为热中子后才能被硼有效俘获，因此，单层氮化硼纳米管薄膜对高能次级中子的实际防护效果存在局限。

此外，氮化硼纳米管的合成工艺目前远比碳纳米管复杂，产量有限、成本较高，这成为制约其规模化应用的现实瓶颈。材料在长期辐射照射下的稳定性，包括持续中子轰击导致的硼-10 逐渐消耗，也需进行系统的实验验证。

研究团队认为，这些问题并非无解。结合上述发现，若能精确调校出蜂窝晶格的最佳几何参数、使用富集硼-10 的氮化硼纳米管，一张贴在航天器舱壁上的薄膜，或许真的可以同时做到两件事，电磁干扰无从穿透，而中子在抵达半导体之前，就已在硼原子的俘获反应中消失。

参考资料：

相关链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202513805

运营/排版：何晨龙

注：封面/首图由 AI 辅助生成