一、研究背景

近年来，人类对太空的痴迷程度大幅提高。然而，开发辐射屏蔽可穿戴技术至关重要。此外，“可穿戴技术 ”指的是能屏蔽 X 射线、伽马射线和中子粒子等辐射的设备。辐射屏蔽材料的需求预计将在火星殖民过程及其后时期达到高峰。电子设备现已成为宇航员在太空行走时穿戴的尖端设备的组成部分。电离粒子能够干扰先进技术设备的功能，并对人类健康构成重大威胁。因此，宇宙辐射对太空可穿戴技术的设计至关重要。

根据贝采-布洛赫公式，原子序数与原子质量比高的材料吸收辐射的效果更好。辐射按其引发和组合多种类型辐射的能力分为原生辐射和次生辐射。从辐射源直接到达屏蔽材料的辐射被称为一次辐射。而二次辐射则是原生辐射与屏蔽材料的元素相互作用时产生的。由于二次辐射和一次辐射的能级相差很大，屏蔽材料必须含有高原子序数的元素。

由于氢的原子序数与原子质量比高，氢被认为是辐射屏蔽最有效、最基本的成分。为了制造用于辐射屏蔽的聚合物纳米复合材料，必须使用含氢量高的聚合物。在屏蔽宇宙辐射方面，聚乙烯醇具有许多优点，包括可成形性、高氢含量和成本效益。除了 X 射线和伽马射线等电离辐射外，非电离中子粒子也被广泛认为是最危险的辐射类型，因为它们可能对人体健康造成严重损害。锂、镉和硼是具有优势的中子屏蔽材料，因为它们具有较大的中子吸收截面积。尽管硼的吸收截面面积比其他元素相对较小，但由于其生产成本低、易于应用，硼仍是一个合适的选择。

在连续纤维纳米复合材料中加入硼，表明有必要超越传统的辐射屏蔽技术。利用硼的优异特性，这些新型技术大大提高了材料的辐射衰减效率。它利用了硼的独特性质，而硼以其卓越的中子吸收能力而闻名。重要的是，电纺丝技术保证了硼在聚合物基体中的均匀分布，而精确操纵纳米结构形态的能力则允许形成致密的无纺纤维毡。

最近的研究表明，具有低密度、高抗冲击性和抗拉强度等纤维形态特征的复合材料比传统的块状材料具有更强的屏蔽能力。因此，纳米纤维是通过电纺丝设备生产出来的，这被认为是最简单、最具成本效益的纤维生产方法。在我们之前的研究中，在聚乙烯醇（PVA）溶液中添加硼酸提高了硼增强 PVA 纳米纤维的屏蔽性能。已经证实，以硼酸为添加剂生产的 10 微米厚的硼酸酯 PVA 纳米纤维的中子屏蔽效能至少为 6%。该研究强调了在屏蔽过程中形成均匀纤维的重要性，并观察到屏蔽百分比与纤维分子成分中的高硼含量呈正相关。因此，使用含有大量硼的均匀纤维有望提高屏蔽效果。

本研究深入探讨了硼酸和元素硼在聚乙烯醇（PVA）纳米纤维组合物中的联合使用，以及这两种材料对纳米纤维结构和辐射防护性能的协同作用。详细分析了粘度和纤维直径的变化，以及硼酸和硼元素浓度变化引起的形态变化所导致的结构变化。在可穿戴技术应用中，通过保持纳米纤维的纤维结构来确保最佳的元素硼浓度，从而提高纳米纤维的辐射防护性能，可在结构完整性和辐射防护效率之间实现有效平衡。由同时含有硼酸和硼的成分制成的纳米复合材料所产生的分子和形态变化表明，其屏蔽效率超过了 13%，突出了所开发的纳米纤维毡在辐射防护应用中的适用性。

二、摘要

电纺丝设备是一种先进的生产技术，用于制造硼增强连续纤维纳米复合材料，以保护太空任务免受宇宙辐射这一重大危害。通过在聚合物基体中加入硼元素（硼元素以其卓越的中子屏蔽性能而著称），生产出了一种柔韧、轻质、抗辐射能力强的复合材料。研究结果表明，用硼、硼酸或两者增强的连续纤维纳米复合材料具有很高的宇宙辐射屏蔽效率。生产出的纳米复合材料适应性强、重量轻，非常适合太空应用。虽然硼酸会在分子水平上与 PVA 结合并改变 PVA 的分子链结构，但人们认为元素硼只是以微粒的形式加入到 PVA 聚合物中。众所周知，硼酸和元素硼掺杂的纳米复合材料可提供厚度为 10 微米的样品，具有 13.56% 的中子屏蔽率和卓越的光子阻挡能力。

三、结论

我们的研究最后全面分析了硼酸和硼元素的补充对聚乙烯醇（PVA）纳米纤维的微观结构及其辐射屏蔽能力的影响。通过改变硼酸和硼元素的浓度，可以成功地改变 PVA 纳米纤维的直径、形态和热性能。这种灵活性有助于生产出性能更强的复合材料，用于辐射屏蔽。在我们的研究中，元素硼增强的硼酸酯纳米纤维被嵌入硼酸酯层之间，硼酸酯层的最佳成分为 2% 硼酸和 1% 元素硼（按重量计），从而确保了纤维结构的完整性。根据 PhyX 计划进行的模拟和核研究中心进行的实际实验，开发出一种 10 微米厚的纳米复合材料，可屏蔽 13% 以上的中子，这是一项重大进展。除了先进的辐射能力外，控制纳米纤维尺寸和定制复合材料微观结构的能力还将其应用扩展到轻质灵活的防辐射服装、高效过滤系统和先进的航空航天材料。

图1.电纺丝过程中复合结构的形成和分化

 

图2.中子屏蔽流程