氮化硼纳米管防辐射纺织材料，登上Nature子刊：强度高达1 GPa、耐-196°C至1200°C的极端温度，能挡99%热中子！

深空辐射威胁催生材料革命

随着人类空间探索活动从近地轨道向月球、火星等深空任务延伸，如何有效保护宇航员和电子设备免受极端辐射环境的伤害，已成为亟待解决的关键问题。在深空中，银河宇宙射线（GCR）与航天器结构、外星栖息地及行星表土等周围物质相互作用，会引发散裂反应，产生穿透力极强的次级中子。这些不带电的中子能够轻易穿透传统屏蔽层，对生物组织造成严重损伤并引发电子设备软错误，对任务安全构成重大威胁。虽然氮化硼纳米管（BNNT）因其高硼含量而具备巨大的热中子吸收截面，同时兼具超越传统富氢慢化剂的热稳定性和机械韧性，被视为空间辐射屏蔽的理想候选材料（图1a），但将其从纳米尺度的优异性能转化为坚固、宏观的屏蔽结构，始终是材料科学领域的一项巨大挑战。原始BNNT不仅难以分散，且缺乏形成连贯宏观组装体所需的结构缠结，如何在保持其高硼密度和机械稳健性的同时，实现连续、可扩展的纳米制造，成为下一代空间材料发展的核心瓶颈。

自组装全纳米管纤维实现性能突破

针对上述挑战，韩国科学技术研究院Dae-Yoon Kim教授团队成功开发出一种连续自组装的全纳米管（SAAN）纤维。该纤维以80 wt%的高BNNT负载量，实现了超过1 GPa的抗拉强度，并在-196°C至1200°C的极端温度范围内展现出卓越的热稳定性。这一突破性成果源于BNNT与碳纳米管（CNT）在氯磺酸（CA）中热力学共组装形成的溶致液晶（LLC）中间相，该剪切响应性纺丝原液在湿法纺丝过程中实现了纳米管的协同重定向和致密堆积。当组装成宏观纺织品后，SAAN材料的热中子衰减系数高达2.85 mm⁻¹，且计算机模拟表明，这种轻质纺织品能有效屏蔽由银河宇宙射线散裂产生的高穿透性次级热中子。该制造策略可无缝集成至商用二维平面和三维管状纺织品生产工艺中，为舱内和舱外活动中的空间辐射屏蔽提供了可扩展且可靠的解决方案。相关论文以“Boron nitride nanotube fibers with over 1 GPa strength and 1000 °C stability for exceptional neutron shielding textiles”为题，发表在Nature Communications上。

液晶中间相策略克服BNNT加工难题

研究团队首先验证了纯BNNT在氯磺酸中形成液晶相的能力。SAAN₁₀₀溶液在10 mg/mL浓度下呈现出典型的向列相丝状纹影织构，偏光显微镜观察证实其具有光学各向异性和特征性乳光，表明具备基本的可纺性（图1b）。然而，纯BNNT纤维仅能挤出数厘米长，无法连续卷绕在纱筒上，且脆性极大（图1c），弯曲角度仅达28°即发生断裂，严重限制了其规模化生产和纺织加工能力。相比之下，通过引入20 wt%的CNT与BNNT共组装，SAAN₈₀溶液在相同浓度下呈现均匀暗色，无宏观团聚体，同样表现出液晶相行为。流变学测试表明，所有SAANₙ溶液均呈现剪切稀化行为，证实了内部向列相畴在剪切应力下定向排列的本质特征（图2a左侧）。偏振拉曼光谱进一步确认了BNNT和CNT在剪切力作用下的高度取向状态，为后续湿法纺丝奠定了结构基础。

湿法纺丝工艺实现连续化宏量制备

基于均匀的液晶中间相和优异的剪切响应性，研究团队采用多孔喷丝板进行湿法纺丝（图1d），成功制备出连续SAAN纤维。仅100 mL纺丝原液即可拉制长达178 m的连续纤维（图1e），且整个过程未使用任何表面活性剂、粘合剂或稳定剂，确保了纤维的绝对组分纯度。更值得一提的是，SAAN₈₀纤维可实现超过3.5 km的连续纺丝长度。热重分析（TGA）证实，SAAN₈₀纤维在913.3°C氧化条件下的最终残余量为81.48%，精确反映了纺丝原液中80 wt%的BNNT初始配比（图2b）。在模拟太空的惰性气氛下，BNNT和CNT均不发生氧化降解，SAAN₈₀纤维在1200°C仍能保持完整的结构完整性。X射线光电子能谱（XPS）检测到位于190.5 eV的B1s峰和284.6 eV的C1s峰，分别证实了BNNT中硼原子和CNT中碳原子的存在，而397.2 eV处的N1s峰则对应六方晶格中的氮原子（图2c）。

图1 | 连续宏观尺度BNNT纤维的实现。a BNNT的多尺度表征，左侧为BNNT照片，中间为SEM图像，右侧为具有六方BN晶格的管状BNNT结构示意图。SEM图像代表两个独立制备的具有相似形貌的样品。示意图使用Blender创建。b SAAN₁₀₀溶液在CA中的POM图像，显示典型的向列相丝状纹影织构。c 不连续的SAAN₁₀₀纤维段。d 通过40孔喷丝板进行湿法纺丝制备连续SAAN₈₀纤维的示意图。e 卷绕在纱筒上的连续SAAN₈₀纤维。

力学性能与柔韧性实现协同优化

SAAN₈₀纤维的抗拉强度达到1.18 GPa，约为纯BNNT纤维的51倍，同时杨氏模量和韧性也同步提升（图2d）。研究揭示，这种从脆性、不可纺的SAAN₁₀₀到连续可纺的SAAN₈₀的根本性转变，源于两种纳米管长径比的显著差异：BNNT平均长径比约为190，而CNT高达约6010。高长径比CNT的引入增强了向列相畴内纳米管间的协同相互作用，使其取向对剪切应力高度敏感，从而在喷丝孔道中实现严格单轴取向（图2a右侧）。偏振拉曼光谱定量分析表明，SAAN₈₀纤维在牵伸比为1.41时的垂直与平行偏振强度比（I_HH/I_VV）达到1:13.6，证实了其高度取向特性。通过优化牵伸比（DR），SAAN₈₀纤维在DR=1.41时达到最佳力学性能，取向因子高达0.86（图3d）。更重要的是，SAAN₈₀纤维展现出87%的结节效率，可与尼龙、大力马、Zylon、凯夫拉和T300等成熟高性能纤维相媲美（图2g），且在50°弯曲角度下经历100次循环弯曲后仍能保持95.9%的初始拉伸力，充分证明了其优异的柔韧性和抗疲劳性能（图2f）。研究团队指出，虽然进一步增加CNT比例能持续提升力学性能，但会牺牲BNNT含量进而降低辐射屏蔽能力，因此80 wt% BNNT与20 wt% CNT的配比是实现辐射屏蔽与力学性能平衡的最佳阈值（图2e）。

图2 | BNNT纤维的力学性能。a 单轴取向全纳米管纤维的制备。左侧为SAAN₈₀在CA中的均匀溶致液晶纺丝原液的POM图像，右侧为湿法纺丝过程中向列相畴流动诱导取向及连续纤维在旋转纱筒上收集的示意图。POM图像代表两个独立制备的具有相似光学织构的样品。b BNNT、CNT和SAAN₈₀纤维的TGA热重曲线。c BNNT、CNT和SAAN₈₀纤维的高分辨B1s（左）、C1s（中）和N1s（右）XPS谱图。d SAANₙ纤维抗拉强度随BNNT含量的变化。数据以均值±标准差（n=10）表示。e 不同一维纳米材料组分的SAANₙ纤维中硼含量。f SAAN₈₀纤维的高柔韧性。SEM图像代表两个独立制备的具有相似形貌的样品。g SAAN₈₀纤维与文献报道的商业高性能纤维的结节效率对比。结节效率定义为打结纤维与未打结纤维断裂拉伸力的比值，以百分比表示。SAAN₈₀纤维数据以均值±标准差（n=5）表示。

微观结构表征揭示单轴取向机制

透射电子显微镜（TEM）观察SAAN₈₀纤维横截面，清晰呈现了BNNT和CNT的致密堆积结构，各组分纳米管的圆形横截面贯穿整个成像区域，直接证实了其严格平行于纤维主轴的单轴取向。能谱（EDS）元素面分布图进一步证实了碳（红色）、硼（绿色）和氮（蓝色）的均匀共分散，无随机聚集现象（图3a）。二维广角X射线衍射（WAXD）图案沿纤维方向呈现各向异性的赤道衍射弧，确认了碳和BN的六方晶格均平行于宏观纤维轴排列（图3b）。一维衍射剖面在2θ=25.5°处的主峰对应BNNT的（002）基面反射，而2θ=24.1°附近的宽峰则源于相邻CNT的管间距贡献（图3c）。基于BNNT（002）面反射的方位角强度分布计算得到SAAN₈₀纤维的取向有序参数高达0.86（图3d），进一步确认了其高度单轴取向结构。

图3 | 单轴取向BNNT纤维。a SAAN₈₀纤维的横截面TEM图像及对应的EDS元素面分布图，分别显示碳（红色）、硼（绿色）和氮（蓝色）。TEM和EDS图像代表两个独立制备的具有相似元素分布的样品。b SAAN₈₀纤维的二维WAXD图案。c SAAN₈₀纤维的一维WAXD剖面，由BNNT（002）面反射峰和相邻CNT管间距贡献的峰组成。d 基于BNNT（002）面反射的方位角强度分布计算SAAN₈₀纤维的取向有序参数（S）。

纺织品热中子屏蔽性能卓越

得益于纤维足够的长度和柔韧性，SAAN₈₀纤维可轻松织造为平纹纺织品（图4a），实现大面积覆盖。单层SAAN₈₀纺织品（厚度76 µm）即实现了19.3%的热中子衰减效率，三层和五层堆叠后分别提升至46.2%和59.7%（图4b）。根据比尔-朗伯定律计算，其线性衰减系数μ达2.85 mm⁻¹。SAAN₈₀纺织品密度为1.91 g cm⁻³，质量衰减系数μρ为14.92 cm² g⁻¹（图4c）。基于此系数，仅需约1.62 mm厚的SAAN₈₀纺织品即可阻挡近99%的入射热中子。与地面应用中使用的笨重水箱或混凝土块相比，这种轻质柔性纺织品在体积和重量严格受限的空间任务中优势显著。此外，纺织品在-196°C至1200°C的宽温域内暴露1小时后，其力学性能（图4d）和热中子屏蔽效率（图4e）几乎保持不变，拉曼光谱和XPS分析证实BNNT的E₂g特征峰和CNT的G带均未发生位移，化学键合状态完整保留，充分证明了其极端环境适应性。SAAN₈₀纺织品在热中子屏蔽性能与抗拉强度方面均优于目前已报道的多数BNNT基材料（图4f），且在高热稳定性和热中子屏蔽性能的综合表现上处于领先地位（图4g）。

图4 | SAAN₈₀纺织品用于空间应用的综合性能。a SAAN₈₀纺织品集成至舱外机动单元（EMU）的多尺度示意图，左侧为复现多层宇航服构型的1/100比例EMU模型照片及组成材料，左二为10×10 cm² SAAN₈₀纺织品照片，右二为SAAN₈₀纤维内取向BNNT和CNT的示意图，右侧为BN晶格结构及¹⁰B介导的中子衰减机制示意图。b SAAN₈₀纺织品厚度相关的热中子衰减性能。c SAAN₈₀纺织品的热中子屏蔽性能。d SAAN₈₀纺织品的温度依赖力学行为，插图为拉伸测试前后的纺织品照片。e 不同温度处理后热中子屏蔽性能的保持率，插图为光学显微镜图像显示SAAN₈₀纺织品在指定温度暴露后的结构完整性。f SAAN₈₀纺织品兼具高抗拉强度和热中子屏蔽性能。g SAAN₈₀纺织品在高热稳定性和热中子屏蔽性能领域中的定位。

计算机模拟验证深空防护有效性

研究团队利用基于蒙特卡罗方法的粒子与重离子输运系统（PHITS）对两种关键载人深空探索场景进行了模拟评估。在舱内活动（IVA）场景中，银河宇宙射线质子轰击碳化硅、增强碳-碳和铝合金组成的航天器壳体，产生次级中子并热化后被困在舱内环境；在月面舱外活动（EVA）场景中，质子撞击月壤产生反向散射的“反照率”热中子。模拟结果显示，标准宇航服对这些热中子几乎不提供任何防护（图5a、图5b），透射谱与无屏蔽环境几乎相同。而集成SAAN₈₀纺织品的宇航服则在热中子区域（能量低于0.6 eV）实现了近乎100%的衰减（图5c、图5d），透射率趋近于零（图5e、图5f），空间分布图清晰展示了热中子通量的显著降低。这一计算结果与实验测得的热中子衰减系数高度吻合，从理论上验证了SAAN₈₀纺织品在实际深空辐射环境中的有效防护能力。

规模化生产验证与未来展望

研究团队通过21个独立批次验证了SAAN₈₀纤维生产工艺的可靠性和可重复性，每批长度约170 m，力学性能一致稳定（图5g）。在凝固浴的选择上，丙酮因其独特优势成为理想之选——与水的剧烈放热水解副反应（生成氯化氢气体，破坏纳米结构）以及某些有机溶剂的极端挥发性（导致纺丝线不稳定）相比，丙酮能实现CA溶剂的快速均匀萃取，瞬时冻结喷丝头中建立的高度取向结构，同时保证纺丝过程的连续稳定性。研究团队成功制造出长度超过3.5 km的连续SAAN₈₀纤维，并利用商用织造设备加工成宏观二维平面结构（图5h）和三维管状结构（图5i），充分展示了其与标准工业纺织机械的直接兼容性。

图5 | SAAN₈₀纺织品在深空环境中的计算评估及规模化制造。a 舱内活动（IVA）场景中穿透标准宇航服结构的热中子模拟空间分布图，b 月面舱外活动（EVA）场景中穿透标准宇航服结构的热中子模拟空间分布图。c 集成SAAN₈₀纺织品的宇航服在IVA场景中热中子通量衰减的空间分布图，d 集成SAAN₈₀纺织品的宇航服在EVA场景中热中子通量衰减的空间分布图。e IVA模型和f EVA模型的宽能区中子透射谱，突出显示SAAN₈₀纺织品对低于0.6 eV中子的吸收。g 21个独立批次SAAN₈₀纤维的规模化制造展示。h 通过商用纺织机械加工的宏观SAAN₈₀纺织品，呈现二维平面结构，i 三维管状结构。

展望未来，SAAN₈₀纺织品的屏蔽性能可通过富集BNNT中的硼-10同位素进一步提升——若BNNT中硼-10丰度达到100%，其线性衰减系数预计可达14.2 mm⁻¹，为当前体系的4.98倍。同时，采用更高长径比的BNNT有望通过增加管间侧向摩擦和界面表面能，将抗拉强度提升至3 GPa以上的超纤维水平。随着BNNT合成技术的持续突破，其本征物理性能将进一步提升，而当前的一维共组装策略则为空间辐射屏蔽提供了即时有效的工程解决方案。SAAN₈₀纺织品兼具轻质、机械稳健性和热耐久性的独特组合，使其不仅适用于宇航服辐射屏蔽层，还可拓展至航天器外壁、栖息地防护罩等深空长期任务的内外部组件，为人类迈向深空提供关键材料保障。