纳米石墨烯与多壁碳纳米管增强Al2024、ZA27及Cu复合材料的辐射屏蔽性能研究

本研究针对传统辐射屏蔽材料（如铅）毒性高、重量大的问题，创新性地采用粉末冶金法制备了纳米石墨烯（GNP）和多壁碳纳米管（MWCNT）增强的Al2024、ZA27及Cu复合材料。通过HPGe探测器与铅准直器系统测试，发现Cu基复合材料在59.5–1836.1 keV能区屏蔽性能最优，且GNP的屏蔽效果优于MWCNT。该研究为开发轻量化、低毒性的新型辐射防护材料提供了重要依据，尤其在医疗影像和军事装备领域具有应用潜力。

　　

随着核技术在能源、医疗和航天等领域的广泛应用，辐射防护成为关乎人类健康与安全的核心问题。传统屏蔽材料如铅虽有效，但其高毒性和重量限制了在柔性穿戴设备、航天器等场景的应用。与此同时，纳米材料因其独特的表面效应和结构特性，为辐射屏蔽提供了新思路。然而，碳基纳米材料（如石墨烯和多壁碳纳米管）在金属基体中的辐射屏蔽机制尚不明确，亟需系统性研究。

为解决这一问题，来自Gazi大学的研究团队在《Radiation Physics and Chemistry》发表论文，首次系统评估了纳米石墨烯（Graphene Nanoplate, GNP）和多壁碳纳米管（MWCNT）增强的Al2024、ZA27及Cu复合材料的辐射屏蔽性能。研究采用粉末冶金法（Powder Metallurgy, PM）制备复合材料，通过HPGe探测器结合铅准直器系统，测试了9种能量（59.5–1836.1 keV）下的屏蔽参数，包括线性衰减系数（LAC）、半值层（HVL）和辐射防护效率（RPE）。

关键技术方法
研究以Al2024、ZA27和Cu为基体，分别掺入0.3–4 wt%的GNP和MWCNT，通过粉末冶金工艺（混粉-压制-烧结）制备复合材料。采用SEM表征材料形貌，γ射线屏蔽性能通过²⁴¹Am、¹³⁷Cs和⁶⁰Co放射源测定，数据拟合基于Lambert-Beer定律。

研究结果

Sample preparation
通过粉末冶金法制备的复合材料显示均匀分散的纳米碳相，其中Cu基体因密度最高（8.96 g/cm³）被预测具有最优屏蔽性能。

Results and discussion

1. 在59.5 keV低能区，Cu/GNP-4%的LAC值达1.92 cm^?1，较纯Cu提升18%，证实GNP通过增加界面散射增强屏蔽；
2. MWCNT因管状结构导致光子多次反射，屏蔽效率低于层状GNP；
3. 高能区（1836.1 keV）所有材料的HVL显著增加，但Cu基复合材料仍保持最低值，归因于其高原子序数（Z=29）带来的强康普顿效应。

Conclusions
研究首次揭示GNP在金属基复合材料中的辐射屏蔽优势，其层状结构比MWCNT更有效阻碍γ射线传播。Cu因高密度和原子序数成为最优基体，而ZA27（锌铝合金）因轻量化特性适合航天应用。该成果为替代铅基屏蔽材料提供了科学依据，尤其在柔性防护装备和空间辐射防护领域意义重大。

讨论与意义
论文指出，尽管GNP和MWCNT成本较高，但其低添加比例（≤4%）和轻量化特性（密度仅为铅的1/10）可抵消成本劣势。未来需进一步优化纳米碳分散工艺，并探索其在聚合物基体中的性能。这项研究不仅填补了纳米碳/金属复合材料辐射屏蔽机制的空白，也为《国际辐射防护委员会》（ICRP）的剂量限值标准提供了新材料选择。