基于表面活性剂稳定液晶态的高密度氮化硼纳米管复合材料增强空间辐射屏蔽性能研究

本文报道了通过十二烷基苯磺酸（DBSA）稳定氮化硼纳米管（BNNT）液晶相（LC）的创新方法，成功制备出密度达1.3 g cm?3的柔性薄膜。该材料通过10B同位素高效吸收热中子，使月球表面任务辐射剂量降低56%（50 g cm?2），热导率（3.1 W m?1·K）和线性衰减系数（2.2 mm?1）均达传统巴基纸的2倍以上，为深空探索提供了新一代轻量化辐射防护解决方案。

　　

1 引言

随着商业航天崛起，银河宇宙射线（GCR）和太阳高能粒子（SEP）导致的DNA损伤成为深空探索的主要障碍。传统聚乙烯（HDPE）虽能通过氢原子慢化中子，但无法有效捕获热中子。氮化硼纳米管（BNNT）因含50%硼元素，其¹⁰B核反应截面高达3835靶恩，是理想的太空防护材料。然而现有巴基纸密度仅0.4 g cm^?3（理论值1.38 g cm^?3），且制备依赖有毒超酸（如氯磺酸）。

2 结果与讨论

液晶相突破：DBSA在BNNT表面形成双层自组装结构，吸附量达5.26分子/nm²（SDS仅2.07），临界胶束浓度（CMC）提升至4 mM。12 wt.%浓度下仍保持稳定液晶相，偏光显微镜显示典型双折射纹理（图2d）。

薄膜性能：刮涂法制备的薄膜呈现高度取向（有序参数S=0.52），密度达1.25 g cm^?3。热导率3.13 W m^?1·K比巴基纸提升108%，质量衰减系数17.6 cm² g^?1超铝材586倍（图4a）。

辐射模拟：OLTARIS模拟显示50 g cm^?2BNNT膜使月球表面日剂量当量降至0.6 mSv（铝材需400 g cm^?2才能等效），30 MeV以下中子通量降低1个数量级（图4e）。

3 机制解析

DBSA通过磺酸基与BNNT表面硼原子配位，苯环π-π堆叠促进双层组装（图5d）。分子堆积参数P=0.59表明囊泡结构倾向，热重分析显示结合能高于SDS。这种结构抑制了胶束解吸导致的耗尽絮凝，实现超高浓度稳定分散。

4 应用前景

该材料可集成于宇航服夹层或舱体结构，50 g cm^?2厚度即可将月球驻留时间延长2倍。未来通过提升BNNT纯度（减少hBN杂质），可进一步优化力学和热学性能，为火星任务提供轻量化防护解决方案。