基于吡啶锚定的氮化硼和卤化铋复合材料的柔性多辐射屏蔽海绵

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Flexible multi-radiation shielding sponges based on pyridine-anchored boron nitride and bismuth halide composites

多孔复合材料在航空航天多辐射屏蔽中的应用研究，通过吡啶功能化硼氮纳米片（Py-BNN）与聚二甲基硅氧烷（PDMS）及碘化铋（BiI3）复合，实现X射线、质子和次生中子的高效衰减，热稳定性提升至504.3°C，辐射屏蔽性能优于传统材料。

　　

金贤光（Hyeon-Kwang Kim）| 康硕圭（Seok-Gyu Kang）| 权大成（Dae-Seong Kwon）| 徐秉敬（Beom-Gyeong Seo）| 纳兹穆尔·侯赛因（Nazmul Hossain）| 沙穆加姆·马哈林加姆（Shanmugam Mahalingam）| 金俊焕（Junghwan Kim）

韩国釜山浦项国立大学材料系统工程系，邮编48513

摘要

开发轻质、柔性和多功能屏蔽材料对于缓解太空中的复杂辐射环境至关重要，这些辐射环境包括高能X射线、质子和次级中子。在本研究中，我们提出了一种多孔复合材料，该复合材料由聚二甲基硅氧烷（PDMS）、吡啶功能化的氮化硼纳米片（Py-BNN）和碘化铋（BiI₃）组成，以增强多重辐射屏蔽效果。吡啶功能化通过提高界面相容性来改善氮化硼在PDMS中的分散性，从而形成更均匀的填料网络。多孔结构有助于碘化铋在整个基体中的均匀吸附，从而增强对X射线的衰减能力。热分析显示，Py-BNN/PDMS的分解起始温度为504.3°C，而BNN/PDMS的分解起始温度为475.8°C，纯PDMS的分解起始温度为445.7°C，这表明由于填料分散性的改善，其热稳定性得到了提升。红外热成像进一步证实了其热导率的提升。X射线屏蔽结果表明，Py-BNN/PDMS/BiI₃复合材料的线性衰减系数最高（4.26 cm^?1），半值层厚度最薄（0.163 cm），优于BNN/PDMS/BiI₃和PDMS/BiI₃复合材料。质子束测试也显示Py-BNN/PDMS/BiI₃具有更优异的衰减性能，这归因于Py-BNN在PDMS多孔结构中的均匀分散。总体而言，所提出的复合材料具有轻质结构、良好的热稳定性以及针对多种辐射类型的有效屏蔽能力，显示出在下一代航空航天辐射防护方面的巨大潜力。

引言

随着太空探索的进步，对能够抵御地球以外恶劣且复杂辐射环境的多功能材料的需求显著增加[[1], [2], [3]]。在太空中，航天器系统和宇航员同时受到各种类型的高能辐射的影响，包括通过与航天器结构和周围物质的散射相互作用产生的X射线、高能质子和次级中子[[4], [5], [6]]。传统的屏蔽材料（如用于X射线的铅[7,8]和用于质子的铝[9]）已被广泛使用；然而，这些材料存在毒性、刚性以及产生次级辐射（特别是中子[10,11]）等固有缺点。此外，大多数传统材料都是针对单一类型的辐射进行优化的，因此在多重辐射场景下无法提供全面保护[[12], [13], [14]]。这些限制凸显了需要适用于太空应用的低重量、柔性和多功能屏蔽复合材料的需求。

为了解决这一挑战，我们提出了一种由聚二甲基硅氧烷（PDMS）、吡啶功能化的氮化硼纳米片（Py-BNN）和碘化铋（BiI₃）组成的多孔复合材料。PDMS作为一种有效的基体，具有出色的热稳定性、柔韧性和高氢含量，这有利于通过弹性散射来屏蔽中子和质子[[15], [16], [17]]。富含¹?B同位素的氮化硼纳米片（BNNs）具有优异的中子吸收能力、高热导率和机械强度[[18], [19], [20]]。然而，由于强烈的范德华相互作用和高长宽比，它们在聚合物基体中的分散性较差，常常导致聚集、分散不均匀和界面粘附力弱，从而降低复合材料的屏蔽和热性能[[21,22]]。为了解决这些问题，我们引入了吡啶功能化处理，提高了BNNs与PDMS基体之间的界面相容性，实现了稳定且均匀的分散。此外，多孔海绵结构的形成使得高Z值的碘化铋（BiI₃能够有效吸附，从而通过促进光电效应和康普顿散射显著增强了对X射线和质子的衰减性能。

通过化学功能化、多孔结构和高Z值填料的结合，所提出的Py-BNN/PDMS/BiI₃复合材料实现了轻质、柔性和多重辐射屏蔽能力的独特平衡，成为未来航空航天辐射防护系统的有希望的候选材料[[23,24]]。

材料

尿素、硼酸、吡啶、碘化铋（BiI₃）和四氢呋喃（THF）从Sigma-Aldrich购买，并按原样使用。聚二甲基硅氧烷（PDMS，一种硅弹性体Base（A））从Acience购买。该PDMS成分包括二甲基硅氧烷、二甲基乙烯基末端单元、二甲基乙烯基化和三甲基化的二氧化硅以及四（三甲基硅氧基）硅烷。硅弹性体的固化剂（B）（Nexus 164，Acience）主要含有二甲基甲基氢...

结果与讨论

图1展示了Py-BNN/PDMS/BiI₃复合材料的整体制备过程，从Py-BNNs的合成到最终复合材料的形成。由于BNN粉末本身的表面特性，它们在聚合物或液体中的分散性通常较差[[25,26]]。为了提高其分散性，对BNNs进行表面改性是必要的。如图1(a)所示，样品经过超声处理以将吡啶固定在BNN表面...

结论

我们成功开发了一种轻质且柔性的复合材料，能够屏蔽多种类型的辐射，包括质子和X射线，同时减少次级中子的散射。通过改善氮化硼的分散性，所提出的复合材料在相同重量分数下表现出优化的屏蔽性能。表面改性的BNN粉末在聚合物基体中的分散性得到改善，有效提高了对X射线和质子的屏蔽效率。

作者贡献声明

金贤光（Hyeon-Kwang Kim）：研究、方法论、数据整理、初稿撰写、正式分析。 康硕圭（Seok-Gyu Kang）：研究、方法论、软件应用。 权大成（Dae-Seong Kwon）：研究、方法论。 徐秉敬（Beom-Gyeong Seo）：方法论、软件应用、研究。 纳兹穆尔·侯赛因（Nazmul Hossain）：方法论、研究。 沙穆加姆·马哈林加姆（Shanmugam Mahalingam）：方法论、研究。 金俊焕（Junghwan Kim）：方法论、概念构思、监督、正式分析、审稿与编辑、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府（MSIT）提供，项目编号2021R1C1C1014039），以及韩国教育部通过NRF资助的基础科学研究计划（项目编号2022R1A6A1A03051158和2022R1A6A1A03051158）的支持。