综述：稀土元素与混合填料基聚合物复合材料在空间辐射屏蔽中的作用

《Annual Review of Fluid Mechanics》：The role of rare earth elements and hybrid fillers based polymer composites for space radiation shielding

　　摘要：太空任务面临着复杂的混合辐射环境，其中银河宇宙射线、太阳高能粒子以及被困辐射起着主导作用，这些辐射会对航天器电子设备以及长期人类居住空间带来累积性风险。虽然传统铝基结构被广泛使用，但其固有的辐射衰减能力有限，在高能辐射作用下还可能产生二次辐射。本综述深入探讨了为克服这些局限而研发的基于混合聚合物的辐射屏蔽材料的最新进展。首先评估了具有太空应用历史的金属基复合材料，指出了其在质量增加和二次辐射产生方面的固有缺陷。随后重点研究了聚合物基复合材料，尤其是那些含有富氢基体并整合了稀土氧化物和高原子序数填充剂的材料，这类材料能够在质量受限的情况下实现质子减速、中子捕获以及伽马射线衰减的协同效应。辐射与物质的相互作用机制，包括质子能量损失、核碎裂与次级粒子产生、光子衰减过程以及中子减速-捕获过程，都与材料选择和复合结构设计密切相关。除了屏蔽性能之外，还评估了在电离辐射、紫外线-原子氧侵蚀、热循环以及真空排气等多重应力作用下的空间环境耐久性。通过诸如AstroRad Vest、立方星混合屏蔽结构以及经MISSE验证的聚合物等实际案例，展示了实验室研究材料向可投入飞行应用的转化过程。最后，本文强调了将仿真工具与以数据为中心的材料设计以及机器学习辅助优化相结合，作为未来深空探索中开发适配任务需求的屏蔽结构的创新路径。同时，也指出了二次辐射控制、粒子扩散、长期退化以及缺乏标准化的混合场测试等问题，这些都是下一代轻质且可靠的屏蔽系统需要解决的关键问题。

引言：空间辐射对空间系统的设计与开发构成了严峻挑战。电离空间辐射主要由太阳粒子事件、银河宇宙射线以及范艾伦带中的电子和质子等被困粒子组成。太阳粒子事件包含来自太阳耀斑和日冕物质抛射的质子和重离子，而银河宇宙射线则主要由来自银河系的高能原子核构成。卫星的电子设备若暴露在这些辐射环境中，可能会发生性能下降甚至失效，从而危及任务的成功[1][2]。辐射通过三种主要机制影响电子设备：单事件效应、总电离剂量以及位移损伤剂量[3]。因此，必须采取防护措施，防止电子元件受到有害空间辐射的损害。最有效的解决方案之一就是使用辐射屏蔽，以确保敏感电子部件的可靠运行[4]。传统的辐射屏蔽材料，如铅，存在重量大、有毒性以及会产生二次辐射等缺点，这促使人们开始研发更轻便且耐用的辐射屏蔽材料[5]。

各大航天机构正在通过基于风险管理的部件保障框架，逐步推动商用现成组件的应用。美国国家航空航天局和欧洲航天局分别出台了NASA-STD-8739.10和ECSS-Q-ST-60-13C等指南，用于指导空间项目中商用电气、电子及机电部件的选择、管控与使用[6][7]。由于能够获得高科技组件、采购周期较短，且成本仅为航天级组件的百分之一到千分之一，商用现成组件对航天计划极具优势[8][9][10][11]。地球环境与空间环境之间的关键差异在于电离辐射，因此商用组件必须经过辐射合格性测试，才能确保在空间辐射环境中的可靠运行[12][13]。即便通过了辐射合格性测试，这类组件仍可能存在由辐射引发的故障风险[14]。在这方面，被动屏蔽是一种能够立即减轻高电离强度空间辐射影响的有效方法。高原子序数材料虽能有效散射电子和质子并吸收伽马射线，但也会产生二次辐射。为在避免增加质量的同时削弱复杂的空间辐射谱，人们越来越多地使用掺入微纳级高原子序数材料（如WO3、Bi2O3）以及中子吸收填料（如B4C、BN、Gd2O3、Sm2O3）的聚合物基复合材料。此外，富氢聚合物基体不仅能有效衰减质子，还能减少二次辐射的产生，而分散的填料则可进一步提升对中子、电子和伽马射线的衰减能力。多项研究已表明，与纯聚合物和金属相比，聚合物基复合材料具有更强的屏蔽效果[15][16][17][18][19]。

近年来，含有高原子序数填料和中子吸收成分的聚合物基复合材料的出现，为空间应用领域的材料设计带来了新的变革。在聚乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯醇、环氧树脂以及聚甲基丙烯酸甲酯等多种聚合物中，高密度聚乙烯的氢含量最高，约为14%。氢可以通过弹性散射来衰减质子并减缓快中子的运动速度[20]。重要的是，利用基于蒙特卡罗的传输代码（如PHITS、MCNP）、确定性求解器（如HZETRN、OLTARIS）以及衰减库（如XCOM、Phy-X/PSD）等仿真方法，可以预测这些材料的屏蔽性能[21][22][23][24][25]。这些工具有助于设计多层及混合结构的复合材料，以更好地应对空间辐射的复杂谱系。相关研究结果表明，仿真结果与实验验证结果具有高度一致性[26]。

已有多篇综述介绍了用于医疗、核能及空间环境的聚合物基辐射屏蔽微纳复合材料的研发与应用情况。例如，Zeng等人（2023年）研究了掺入纳米填料的聚合物复合材料在衰减光子和中子方面的应用[27]；Okonkwo等人（2022年）[28]以及Hamisu等人（2024年）[29]则强调了聚合物纳米复合材料在电离辐射屏蔽中的优势，尤其指出其重量轻、机械性能好且易于加工。此外，Fang Xie等人（2026年）[30]、Sales等人（2025年）[31]、Abd El-Hameed等人（2022年）[32]以及Azevedo等人（2025年）[33]也进行了相关文献综述，分析了聚合物复合材料在热循环、电离辐射以及原子氧等极端空间条件下的性能与退化情况。Toto等人（2024年）则对用于空间任务的聚合物基屏蔽材料进行了全面评估，认为富氢聚合物和聚合物复合材料是衰减银河宇宙射线、太阳粒子事件以及二次辐射的理想轻质材料选择[34]。类似地，Wang等人（2025年）指出，在地球轨道上，低原子序数聚合物、高原子序数金属以及混合多层结构在屏蔽高能带电粒子方面具有互补作用[35]。为进一步研究纳米填料强化效应，Bawazeer等人（2023年）总结了掺入高原子序数填料的纳米复合材料在辐射屏蔽中的应用情况[36]；而以稀土材料为研究重点的综述（如Chen等人（2025年）[37]、Wang等人（2023年）[38]）虽然探讨了基于钆的屏蔽系统，但其应用范围仍局限于核反应堆和医疗等领域。

然而，尽管已有诸多研究成果，但目前仍存在诸多不足。虽然多项独立研究证明了掺入稀土元素的聚合物纳米复合材料在空间辐射屏蔽方面的潜力，但现有文献尚未出现将这类研究成果整合到具体任务背景下的系统性综述。目前关于空间环境引起的材料退化的研究，也未能将原子氧侵蚀、紫外线照射、真空排气以及辐射引发的机械性能衰退与屏蔽性能联系起来。此外，目前还没有研究将这些先进的聚合物材料与当前各航天强国所使用的金属屏蔽材料进行对比，也没有从质量效率、氢含量以及二次辐射产生程度等方面评估聚合物基体相较于金属基复合材料的优势。与此不同，本综述首次构建了一个以具体任务为导向的综合性框架，将富氢聚合物、稀土氧化物纳米复合材料、高原子序数混合结构、屏蔽物理原理、材料退化机制、数据驱动的设计策略以及相关的空间应用案例有机结合，为该领域提供了前所未有的整体视角。

本综述旨在对空间应用领域的辐射屏蔽材料方面的最新进展进行全面而深入的分析。首先介绍了空间辐射环境及其对航天器电子设备的影响，重点阐述了这些辐射与航天器结构及屏蔽材料之间的相互作用机制。随后对比分析了铝和铅等传统屏蔽材料与先进的聚合物基复合材料的性能。此外，还从辐射衰减效率、光谱选择性、热稳定性以及结构性能等方面，对比了多种微纳复合材料的特性。同时，分析了多层屏蔽结构在应对近地轨道及深空任务中所遇到的复杂辐射谱时的应用潜力。此外，还简述了若干关键的合成与加工方法，说明它们在提升特定应用场景下的辐射屏蔽性能中的作用。此外，本文还重点介绍了机器学习在材料选型与性能预测方面的最新应用，将其视为优化复合材料设计的新兴工具。同时，通过立方星电子设备屏蔽以及宇航员用AstroRad护具等实际案例，将材料性能与真实任务需求相结合。总体而言，本综述综合考虑了材料的性能以及重量、耐用性及多功能性等实际因素，为未来航天器屏蔽方案的选择提供了可行的指导路径。

空间环境存在着复杂的混合场辐射谱，其中包含高能质子、电子、重离子，以及与航天器材料相互作用后产生的二次伽马射线和中子。图1.1展示了整体辐射环境、其与卫星结构的相互作用以及由此对 onboard电子设备造成的影响。太阳粒子事件由98%的原子核以及2%的电子和正电子组成；在原子核中，又有87%是质子，12%是α粒子，还有1%是原子序数较高的粒子。这些高能粒子在太阳耀斑和日冕物质抛射过程中从太阳释放出来，表现为突然且强烈的辐射爆发。太阳的磁活动呈周期性变化，这种变化会导致太阳黑子、日冕物质抛射以及太阳风暴的频发。这种周期性变化形成了一个11年的太阳活动周期，通常包括4年的太阳活动极小期和7年的太阳活动极大期[39][40][41][42]。

银河宇宙射线是由太阳系外的银河系中超新星爆炸所产生的高能粒子。在地球磁场之外的银河宇宙射线环境中，88%为质子，约10%为氦，其余2%为重离子。尽管这类粒子的数量相对较少，但由于其具有较高的线性能量转移值，且能够通过核碎裂反应产生二次辐射，因此给屏蔽工作带来了巨大挑战[39][43]。

被困粒子辐射即范艾伦带，其中的电子和质子被地球磁场束缚，形成了类似带状的结构，也就是所谓的范艾伦带，如图1所示。对于需要穿越或在该区域运行的航天器来说，范艾伦带是一个重大挑战。它由内带、外带以及1991年3月24日一次太阳风暴之后形成的位于两带之间的第三带组成。在范艾伦带中，电子和质子的能量分别可达到10 MeV和400 MeV[39][44]。表1列出了空间辐射环境中最具能量的粒子类型。

被动屏蔽是一种实用的解决方案，可用于减轻空间辐射对航天器的影响。屏蔽的主要作用是减弱来自银河宇宙射线、太阳粒子事件以及被困粒子的初级辐射通量，但这些外部初级辐射在与航天器相互作用时，还会引发内部二次辐射的产生，如图1所示。这些二次辐射会增加航天器内部的辐射剂量，进而导致材料性能下降以及 onboard电子设备的功能受损。例如，占银河宇宙射线谱87%比例的质子，在与屏蔽材料中的重核发生相互作用时，可能会引发非弹性靶碎裂反应，从而产生大量的二次质子和中子。中国嫦娥四号月球探测器的数据表明，二次中子辐射占总辐射剂量的23 ± 8%[46]。这些二次中子还会与周围材料发生进一步相互作用，通过(n, γ)和(n,n’γ)反应产生伽马射线。随着屏蔽厚度的增加，这类二次辐射的强度也会上升，这就限制了传统高原子序数屏蔽材料的屏蔽效果[47]。

由于银河宇宙射线中约有87%的粒子为质子，且其峰值通量约为1 GeV，因此对航天器进行质子屏蔽尤为重要[48]。已有大量研究致力于探索航天器的质子屏蔽方法。例如，在NASA空间辐射实验室中，人们用20 g/cm2厚的聚甲基丙烯酸甲酯和铝块对1 GeV的质子束进行屏蔽，结果发现屏蔽后剂量率增加了40%–60%。此外，与PMMA相比，铝的剂量增加更为显著，因为重质材料会产生更多的目标碎片[49]、[50]。最近，Naito和Kodaira（2022年）通过量化高能宇宙射线与常用航天器屏蔽材料如铝、聚乙烯（PE）和碳纤维增强塑料（CFRP）相互作用时产生的次级质子和中子，进一步深化了这一认识。研究结果表明，质子是核裂变反应产生的最主要的次级粒子，而由于较大的裂变截面，聚乙烯产生的次级质子数量最多。次级中子的产生也与材料有关。与PE和CFRP相比，铝屏蔽产生的次级中子更多，因为富含氢的材料在缓和和中和 neutron方面效率更高[51]。总体而言，这些研究表明，屏蔽材料的选择会显著影响初级辐射衰减与次级辐射产生的平衡。空间辐射是导致卫星故障的主要原因之一。由辐射引起的缺陷，包括累积效应和瞬态效应，都会极大影响航天器的可靠性和使用寿命。Ecoffet（2013年）指出，有326起与辐射环境和等离子体充电相关的航天器异常现象。此外，根据CNES的运行数据，GEO卫星中有30%的缺陷以及LEO卫星中有90%的缺陷是由辐射引起的。这些缺陷包括内存损坏、安全模式触发以及传感器功能失常。辐射效应还导致了“高精度视差收集卫星”（HIPPARCOS）任务中五个陀螺仪的失效，这是因为卫星被意外放置在辐射水平比设计限值高出约5–10倍的轨道上[45]。Hand等人（2011年）的研究也支持了这一点，他们发现极端的太阳活动会导致范艾伦带中的俘获电子数量急剧增加，从而使太阳能电池板的性能下降7.6%，进而使卫星的整体使用寿命缩短多达4年[52]。这些研究都凸显了空间辐射效应在航天器设计中的重要性。有四种主要类型的辐射效应会导致航天器电子设备的性能下降甚至失效。这些效应及其对应的辐射源的流程图见图2。单事件效应主要是由重离子、质子和中子引发的。当一个带电粒子穿过EEE设备的核心时，它会在路径上留下一条电离轨迹，如图3(a)所示。这种直接电离会生成电子-空穴对，它们在各自的端点重新结合，从而产生电流峰值。这种电流峰值可能导致设备故障、逻辑错误，甚至造成永久性损坏，如设备烧毁。这些高能粒子还能产生足够的局部电离，引发单事件效应，包括单事件干扰（SEU）、单事件锁存（SEL）或单事件烧毁（SEB）等现象[53]、[54]、[55]、[56]、[57]。电离辐射在材料、电子或光子部件上沉积的总剂量会导致累积性的长期性能下降，这种现象被称为总电离剂量（TID）。这种效应主要是由于长时间暴露在高能电子、质子和伽马射线等电离辐射作用下造成的。当电离辐射穿过设备时，它会将原子中的电子击出，留下“空穴”。电子会被外加电场迅速驱散，而空穴由于移动性较低，会通过在原子间跳跃的方式缓慢穿过晶体晶格。大多数空穴最终会被困在栅极氧化层中，如图3(b)所示。随着时间的推移，这些被困电荷的积累会降低设备的电气性能。TID效应会导致阈值电压发生变化、漏电流增加、增益下降，最终可能导致设备功能失效。TID具有累积效应，在那些需要长期承受持续辐射的环境中，如地球静止轨道卫星和深空任务中，这一效应尤为重要[54]、[55]、[57]。当高能粒子穿过材料时，它在穿过材料的过程中会通过电离和非电离相互作用损失能量。电离相互作用会产生电子-空穴对，而非电离相互作用则会使原子从原来的晶格位置发生位移，这种效应被称为位移损伤剂量（DDD）效应。这种晶体晶格的结构破坏会导致材料的电气性能下降，比如漏电流增加，以及太阳能电池和光学传感器等设备的性能降低，如图3(c)所示。DDD效应主要是由高能粒子，尤其是那些具有足够能量将原子从晶格位置移开的重离子、中子和质子引起的[53]、[55]、[57]。当航天器穿过等离子体环境时，会导致航天器表面和内部积累电荷。一旦累积电荷超过临界阈值，就可能引发静电放电（ESD）。ESD可能会损坏敏感的电子元件，降低材料性能，甚至导致灾难性故障。由于高能电子的穿透作用，绝缘材料内部也可能发生电荷积累，从而导致突然的灾难性故障[55]。