第九章:耐空間輻射復(fù)合材料在高劑量輻射能量照射下，能長(zhǎng)時(shí)間使用的復(fù)合材料電離輻射天然輻射人工輻射

宇宙射線地球放射性元素核工業(yè)醫(yī)學(xué)治療第九章:耐空間輻射復(fù)合材料1

空間輻射的概念與分類概念：在地球大氣層的外部，廣袤宇宙中充滿各種形式的輻射。輻射是一種以射線、電磁波或粒子釋放能量的現(xiàn)象。在某些情況下，我們可以直接觀察到輻射（如可見(jiàn)光），或通過(guò)輻射（如紅外輻射）對(duì)人生理機(jī)能的作用來(lái)感受輻射的存在。但有些形式的輻射，如X射線和γ射線，并不可見(jiàn)，只能借助特殊設(shè)備進(jìn)行觀察。輻射對(duì)生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)都可能產(chǎn)生負(fù)面影響，我們可以通過(guò)學(xué)習(xí)輻射的產(chǎn)生和物質(zhì)的作用機(jī)理來(lái)深入了解輻射對(duì)空間設(shè)備及對(duì)人的影響?？臻g環(huán)境與地面環(huán)境有很大的區(qū)別，其主要特征為強(qiáng)輻射、微重力、弱磁場(chǎng)、高真空和晝夜溫差大等。其中，空間輻射是在長(zhǎng)期飛行或?qū)嶋H生存作業(yè)過(guò)程中導(dǎo)致航天員損傷的主要因素。

第九章:耐空間輻射復(fù)合材料1

空間輻射的概念與分類空間輻射主要由太陽(yáng)宇宙射線、銀河宇宙射線、地球輻射帶三部分構(gòu)成。

太陽(yáng)宇宙射線來(lái)自日冕質(zhì)量噴射和太陽(yáng)耀斑產(chǎn)生的高通量帶電粒子。這些粒子沿星際磁場(chǎng)線盤(pán)旋，在日食平面場(chǎng)線內(nèi)自太陽(yáng)擴(kuò)展到星際間介質(zhì)，形成一束類似橡膠軟管盤(pán)旋樣的螺旋，地球與太陽(yáng)間的輻射帶就通過(guò)這種盤(pán)旋狀螺旋相連。銀河宇宙射線來(lái)自太陽(yáng)系以外的星際，如超新星爆炸、中子星、脈沖星或其他發(fā)射高能粒子的星球。銀河宇宙射線通過(guò)很強(qiáng)的星際風(fēng)注入星際介質(zhì)，銀河磁場(chǎng)對(duì)他們有加速作用。地球輻射帶來(lái)自銀河宇宙射線和太陽(yáng)宇宙射線與地球磁場(chǎng)和大氣層的相互作用產(chǎn)生的高能粒子，包括電子、質(zhì)子和少量重離子。太陽(yáng)活動(dòng)程度、地磁長(zhǎng)短期變化（磁暴）、太陽(yáng)宇宙線事件等都對(duì)地球輻射帶有影響。第九章:耐空間輻射復(fù)合材料輻射類型第九章:耐空間輻射復(fù)合材料2耐空間輻射的機(jī)制輻射主要包括電磁輻射和離子輻射兩種形式。電磁輻射是指一切帶電粒子（如電子、離子）在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，所攜帶的能量以波動(dòng)方式傳播出去，包括可見(jiàn)光、無(wú)線電波、微波、紫外線等。離子輻射是指帶電粒子失去或吸收能量后發(fā)生的一種形式，包括α粒子、β粒子、γ射線、X射線等。第九章:耐空間輻射復(fù)合材料2耐空間輻射的機(jī)制抗輻射原理主要通過(guò)以下途徑保護(hù)人體和設(shè)備免受輻射的危害

：屏蔽輻射

使用特殊材料，如金屬屏蔽或鉛板等，可以阻擋輻射的傳播，屏蔽材料的選擇與輻射種類有關(guān)。吸收輻射

利用吸收材料，如特殊電子元件、吸波材料等，來(lái)吸收輻射能量，減少輻射對(duì)人體和設(shè)備的影響。遠(yuǎn)離源頭

保持一定的距離可以降低輻射對(duì)人體和設(shè)備的影響。輻射的能量隨著距離的增加而迅速減弱。第九章:耐空間輻射復(fù)合材料2耐空間輻射的機(jī)制抗輻射原理主要通過(guò)以下途徑保護(hù)人體和設(shè)備免受輻射的危害

：使用防護(hù)裝置

佩戴輻射防護(hù)裝置，如鉛衣、防護(hù)面罩等，可以減少輻射對(duì)人體的直接接觸。這些裝置能夠吸收或反射輻射能量，起到保護(hù)作用。輻射監(jiān)測(cè)和控制

通過(guò)定期監(jiān)測(cè)輻射水平，及時(shí)采取控制措施，降低輻射對(duì)人體和設(shè)備的危害。第九章:耐空間輻射復(fù)合材料2耐空間輻射的機(jī)制

輻射屏蔽（RadiationShielding）是一種利用輻射與材料原子的互相作用來(lái)降低某一區(qū)域的輻射水平，以達(dá)到保護(hù)環(huán)境、減少人體受輻照量的輻射防護(hù)技術(shù)。輻射屏蔽的主要對(duì)象是γ射線（γ光子）和中子。γ光子在通過(guò)屏蔽體時(shí)主要通過(guò)光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對(duì)形成等過(guò)程把能量傳遞給屏蔽體而被減弱或吸收。快中子進(jìn)入屏蔽體，多數(shù)情況是通過(guò)彈性散射和非彈性散射將其能量傳遞給屏蔽物質(zhì)，變成熱中子或超熱中子，然后通過(guò)輻射俘獲等過(guò)程被物質(zhì)吸收的。第九章:耐空間輻射復(fù)合材料2耐空間輻射的機(jī)制現(xiàn)有的防護(hù)方法主要分為物理防護(hù)、生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)防護(hù)。物理防護(hù)增加與輻射源的距離減少受照時(shí)間根據(jù)粒子或射線的不同物理性質(zhì)和強(qiáng)度，選擇合適的物質(zhì)材料進(jìn)行阻擋和屏蔽。第九章:耐空間輻射復(fù)合材料2耐空間輻射的機(jī)制現(xiàn)有的防護(hù)方法主要分為物理防護(hù)、生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)防護(hù)。生物醫(yī)學(xué)防護(hù)通過(guò)藥物、營(yíng)養(yǎng)補(bǔ)充和其他手段調(diào)節(jié)、增強(qiáng)、提高生物對(duì)輻射因素的抗性和耐受性。第九章:耐空間輻射復(fù)合材料2耐空間輻射的機(jī)制現(xiàn)有的防護(hù)方法主要分為物理防護(hù)、生物醫(yī)學(xué)和化學(xué)防護(hù)。化學(xué)輻射防護(hù)過(guò)在細(xì)胞水平迅速輻射物理和輻射化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)輻射防護(hù)作用。第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料分類：耐X射線輻射復(fù)合材料耐γ射線輻射復(fù)合材料耐中子輻射復(fù)合材料耐紫外線輻射復(fù)合材料耐熱輻射復(fù)合材料第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐X射線輻射復(fù)合材料：X射線是一種介于紫外線和γ射線之間且頻率高于3×1016Hz、波長(zhǎng)只有0.001～10nm的電磁波，覆蓋了從250eV到數(shù)兆eV的光子能量范圍，是一種高能量光子流，常作為一種短波電離輻射源。第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐X射線輻射復(fù)合材料：第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐X射線輻射復(fù)合材料：1.抗X射線輻射石墨基復(fù)合材料第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐X射線輻射復(fù)合材料：1.抗X射線輻射石墨基復(fù)合材料第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐X射線輻射復(fù)合材料：1.抗X射線輻射石墨基復(fù)合材料第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐X射線輻射復(fù)合材料：2．抗X射線輻射碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）復(fù)合材料航天器的外壁被CFRP外殼覆蓋，為飛行器內(nèi)部提供屏蔽保護(hù)。第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐X射線輻射復(fù)合材料：3．抗X射線輻射柔性材料在聚合物基質(zhì)中添加不同的化合物作為填料可屏蔽或降低輻射能量。如：天然橡膠/Bi2O3聚酰亞胺/Bi2O3PVA（聚乙烯醇）水凝膠/Bi2O3硅橡膠/W/Bi2O3、第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐X射線輻射復(fù)合材料：3．抗X射線輻射柔性材料第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐X射線輻射復(fù)合材料：3．抗X射線輻射柔性材料第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐γ射線輻射復(fù)合材料：γ射線作為一種高能的電離輻射，與物質(zhì)相互作用的機(jī)制主要為光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)。保護(hù)方式：通過(guò)對(duì)γ射線的衰減與吸收形成屏蔽作用第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐γ射線輻射復(fù)合材料：應(yīng)用受限制傳統(tǒng)的耐γ射線輻射材料主要為單質(zhì)鉛（Pb）、混凝土等材料特點(diǎn)：密度高、易加工、質(zhì)量或體積高，具有重金屬的毒性。新型耐γ射線輻射復(fù)合材料防護(hù)基體+功能填料復(fù)合而成第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐γ射線輻射復(fù)合材料：1．金屬及金屬化合物基復(fù)合材料

優(yōu)點(diǎn)：對(duì)γ射線屏蔽作用高、制備成本低及加工技術(shù)簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：硬度較低，易蠕變，耐高溫性能差鉛（Pb）鎢（W）優(yōu)點(diǎn)：具有更高的原子序數(shù)，密度較大，具有更高的衰減性能和更小的半值層數(shù)值缺點(diǎn)：成本相對(duì)較高其他鐵基合金（尤其是含硼鋼）鋁基復(fù)合材料（通常以Pb、W、Mo等作為功能填料）高原子序數(shù)金屬元素的化合物（WC、Nb2O5等金屬化合物）第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐γ射線輻射復(fù)合材料：2．聚合物基復(fù)合材料聚合物和塑料優(yōu)點(diǎn)：成本低、密度低具有良好的幾何適應(yīng)性，可以用作結(jié)構(gòu)材料豐富的氫含量使其對(duì)中子有良好的屏蔽作用在輻照過(guò)程中，γ射線誘使聚合物大分子鏈斷裂或交聯(lián)，形成自由基，在6kGy/h的低劑量率下往往發(fā)生聚合物的降解。第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐γ射線輻射復(fù)合材料：2．聚合物基復(fù)合材料第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐中子輻射復(fù)合材料：通過(guò)非彈性散射與快中子相互作用的重元素通過(guò)彈性散射與熱中子反應(yīng)、起慢化劑作用的輕元素具有高中子吸收截面的硼元素傳統(tǒng)的鉛等高原子序數(shù)金屬

高密度混凝土金屬氧化物Gd2O3產(chǎn)生屏蔽作用外硼基材料吸收。衰減與吸收中子輻射保護(hù)方式第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐中子輻射復(fù)合材料：

含氫材料聚合物含有大量氫元素，氫元素能通過(guò)彈性散射有效衰減高能中子并削弱γ輻射。含硼材料六方氮化硼（h-BN）作為功能填料對(duì)材料的中子防護(hù)能力有增強(qiáng)作用。如新型六方氮化硼（h-BN）PI基納米復(fù)合材料、鎢納米粒子（W-NPs）修飾的氮化硼納米片（BNNS）混合物。稀土材料稀土元素的中子吸收截面較大，其中釓的中子吸收截面是10B的14.4倍，因此理想的中子屏蔽材料配方應(yīng)該既包含輕元素（如氫和碳），又包含像稀土微粒這樣具有吸收低能中子能力的重元素。第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐紫外線輻射復(fù)合材料：防紫外線纖維CN具有抗紫外線破壞能力的纖維含有紫外線屏蔽劑的纖維防紫外線織物織物上施加一種能屏蔽紫外線的物質(zhì)，該物質(zhì)對(duì)織物的使用性能影響小防紫外線涂料成膜樹(shù)脂，高效紫外線吸收劑，自由基捕獲劑第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐紫外線輻射復(fù)合材料：防紫外線纖維本身具有抗紫外線破壞能力，含紫外線屏蔽劑紫外線屏蔽劑：具有吸收或反射紫外線作用的物質(zhì)無(wú)機(jī)：反射或散射作用，無(wú)光能的轉(zhuǎn)化高嶺土，滑石粉，CaCO3，F(xiàn)ezO3，ZnO，TiOz顆粒達(dá)到納米級(jí)分散時(shí)，比表面積增大，表面化學(xué)活性高有機(jī)：具有強(qiáng)烈的，選擇性吸收高能量紫外線的性質(zhì)通過(guò)光物理或光化學(xué)過(guò)程將吸收的能量轉(zhuǎn)換分子間能量轉(zhuǎn)移，分子內(nèi)結(jié)構(gòu)變化第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐紫外線輻射復(fù)合材料：含紫外屏蔽劑纖維制備將紫外屏蔽劑與單體一起共聚得到防紫外線聚合物浸漬，印花，涂層等，直接黏附在纖維上共混熔融紡絲要求屏蔽劑與纖維有良好的相容性，屏蔽劑不升華，不分解，對(duì)人體安全，粒徑小，對(duì)纖維質(zhì)量影響小第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐紫外線輻射復(fù)合材料：防紫外線織物纖維法：利用具有防紫外線功能的纖維生產(chǎn)織物后處理法：用含屏蔽劑的溶液或膠粘劑對(duì)成品纖維或織物進(jìn)行浸漬或涂覆處理交聯(lián)劑將屏蔽劑的分子與纖維大分子連接膠粘劑將屏蔽劑機(jī)械的黏附在纖維上第九章:耐空間輻射復(fù)合材料3常用的耐空間輻射復(fù)合材料耐熱輻射復(fù)合材料：高分子復(fù)合材料（如聚合物、半纖維素、低聚糖、聚合物基、聚碳酸酯、聚氨酯等）碳纖維（SiC）陶瓷氣凝膠（二氧化硅、二氧化鋯、碳化