缺陷工程化铈基金属有机框架：协同自由基清除与机械增强构筑γ辐射耐受型环氧树脂复合材料

为解决环氧树脂(EP)在γ射线辐照下自由基引发链断裂导致机械性能退化的问题，北京理工大学研究人员通过结构缺陷工程策略设计合成新型Ce-MOF材料（Ce-MOF-OH）。该材料通过羟基缺陷与Ce3+/Ce4+价态转换的协同作用，显著提升EP的γ辐射耐受性（氧化抑制率从-34.2%改善至-6.2%），同时以1 wt%低添加量实现拉伸强度（85.1 MPa）和断裂韧性（1.76 MPa·m1/2）同步提升62.1%和63.0%，为航天器抗辐射材料开发提供新思路。

　　

在深空探测领域，航天器面临的γ射线辐射会引发环氧树脂(EP)基体产生自由基，导致交联结构破坏和机械性能劣化。传统抗辐射填料如石墨烯、碳纳米管等存在添加量高（>10 wt%）、分散性差、制备污染大等问题。金属有机框架(MOF)因其有机-无机杂化特性展现出与EP良好的相容性，但如何通过精确调控MOF结构实现高效自由基清除与机械增强仍是挑战。

北京理工大学团队创新性地采用5-羟基间苯二甲酸(5-HIPA)作为缺陷剂，通过结构缺陷工程策略合成系列Ce-MOF-OH材料。通过控制Ce³⁺/Ce⁴⁺价态比和羟基含量，构建了具有动态价态转换和多重氢键网络的功能化MOF。该研究发表在《Polymer Degradation and Stability》，揭示了缺陷工程MOF在辐射防护领域的突破性应用。

关键技术包括：通过溶剂热法合成不同羟基含量的Ce-MOF-OH；X射线衍射(PXRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征材料结构；电子顺磁共振(EPR)检测自由基清除能力；力学测试评估复合材料在800 kGyγ辐照前后的性能变化。

结果与讨论

1. 材料特性：PXRD证实所有Ce-MOF-OH样品保持晶体结构，XPS显示Ce³⁺/Ce⁴⁺比例随羟基含量增加从1.32升至2.07，羟基缺陷促进氧空位形成。
2. 自由基清除机制：EPR表明Ce-MOF-OH3通过Ce价态转换（Ce³⁺+·O₂^-→Ce⁴⁺+O₂^2-）和羟基氢原子转移协同清除自由基，辐照后自由基浓度降低78%。
3. 机械性能：1 wt% Ce-MOF-OH5使EP拉伸强度提升62.1%至85.1 MPa，辐照后保留90%初始值（73.8 MPa），显著优于纯EP（辐照后下降23.05%）。
4. 抗辐射性能：EP/Ce-MOF-OH3氧化抑制率从纯EP的-34.2%改善至-6.2%，800 kGy辐照后断裂韧性仅下降5.39%（纯EP下降24.07%）。

结论与意义
该研究首次通过缺陷工程实现MOF材料在γ辐射防护领域的多功能集成：

1. 羟基缺陷与Ce价态转换协同清除自由基，抑制EP链氧化断裂；
2. MOF表面有机基团与EP形成化学键和氢键网络，提升界面应力传递效率；
3. 低添加量（1 wt%）即可同步增强机械与抗辐射性能，突破传统填料"高添加-低分散"困境。

这项工作为航天器抗辐射材料设计提供新范式，其"缺陷调控-性能协同"策略可拓展至其他功能复合材料开发。研究团队特别指出，Ce-MOF中可逆价态转换赋予材料潜在自修复能力，未来可通过辐照剂量响应性设计进一步优化材料寿命。